Un fenomeno a livello quantistico nelle proteine ne chiarisce il loro funzionamento
Sebbene sia noto che le informazioni all’interno delle cellule vengano trasmesse attraverso reazioni biomolecolari, in particolare tra le proteine, il meccanismo preciso rimane un mistero. La spiegazione più diffusa tra i biologi è che siano le forze, principalmente elettrostatiche, a guidare il processo, aiutando le cellule a organizzarsi e a coordinare le loro funzioni. Secondo questa teoria ampiamente accettata, l’informazione viene trasmessa quando le reazioni chimiche si propagano da un punto all’altro, guidate dal moto casuale delle molecole (moto browniano)(si apre in una nuova finestra). «Tuttavia, questo meccanismo da solo non spiega adeguatamente l’enorme efficienza di queste reazioni nelle cellule viventi, e lascia un divario di circa quattro ordini di grandezza tra quanto previsto da questo modello e quanto riportato in letteratura.» «Ci deve essere qualcos’altro in gioco», afferma Jeremie Torres, coordinatore del progetto LINkS(si apre in una nuova finestra). LINkS ha preso in esame un aspetto delle dinamiche cellulari noto come “interazione elettrodinamiche a lungo raggio” (LEDI), per spiegare in che modo i partner molecolari giusti riescano a trovarsi, al momento e nel luogo corretti, per dare vita a reazioni biochimiche straordinariamente efficienti. «Abbiamo dimostrato che queste interazioni sono reali(si apre in una nuova finestra), una scoperta scientifica di grande rilievo che mette in discussione presupposti presenti da molti anni nella biologia molecolare», aggiunge Torres, del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica(si apre in una nuova finestra), l’ente che ospita il progetto.
Un biosensore “lab-on-chip” unico nel suo genere
Le biomolecole di grandi dimensioni, come le proteine, presentano modi vibrazionali. Quando un insieme di questi elementi vibra alla stessa frequenza, genera forze elettrodinamiche che danno origine a interazioni cellulari o LEDI. Come spiega Torres: «Negli anni Sessanta, H. Fröhlich ipotizzò che i LEDI si formassero quando l’energia di tutte le modalità proteiche normali viene incanalata verso la modalità a più bassa energia, dando origine a ciò che egli definì “condensazione”. Partendo dai nostri precedenti lavori, LINkS ci ha permesso di dimostrare ulteriormente il fenomeno.» In precedenza, individuare i LEDI si era rivelato difficile poiché le loro vibrazioni proteiche collettive vengono rilevate alla frequenza più bassa nell’intervallo dei terahertz (THz), e la spettroscopia THz è di difficile utilizzo nei mezzi acquosi delle cellule. Per ovviare a questo problema, l’équipe di LINkS ha sviluppato un innovativo biosensore THz “lab-on-chip” con una configurazione in grado di superare l’assorbimento d’acqua, entro certi limiti. La spettroscopia THz(si apre in una nuova finestra) è integrata dalla diffusione dei raggi X a piccolo angolo(si apre in una nuova finestra) e dalla spettroscopia di correlazione di fluorescenza(si apre in una nuova finestra). Dopo aver analizzato le proteine con il biosensore, i risultati sono stati confrontati con i modelli teorici di elettrodinamica quantistica sviluppati dai partner del progetto. «Abbiamo fornito la prima prova sperimentale a sostegno del modello di Fröhlich, secondo cui le proteine, se alimentate da energia, possono generare vibrazioni collettive, i cosiddetti “condensati di Fröhlich”», osserva Torres. L’équipe ha individuato e sperimentato diverse fonti di energia, tra cui i processi indotti dalla luce (che comportano l’accoppiamento eccitone-fonone) e l’energia termica, dimostrando come l’ambiente circostante (come gli strati d’acqua circostanti) svolga un ruolo cruciale. «Questi risultati aprono nuove prospettive per capire come avviene il trasferimento di energia all’interno e tra le proteine(si apre in una nuova finestra) », aggiunge Torres. «Abbiamo persino scoperto un nuovo tipo di particella quantistica ibrida, o polaritone, generata dalle interazioni forti tra la luce e le oscillazioni collettive delle proteine: una scoperta entusiasmante che fa da ponte tra la fisica e la biologia».
Terapie mirate e approfondimenti sulla biologia quantistica
I risultati di LINkS hanno fornito quella che si ritiene essere la prima prova sperimentale dell’esistenza di fenomeni a livello quantistico che operano alla scala delle proteine, e dunque risultano importanti per una vasta gamma di applicazioni. «Capire come i campi elettromagnetici influenzano gli organismi viventi potrebbe aprire nuovi orizzonti nella ricerca medica e biologica. Se riuscissimo a identificare la firma specifica delle proteine, potremmo manipolarne la funzione e la loro interazione con altri partner chimici cellulari, ad esempio, aumentando l’efficacia dei farmaci », afferma Torres. Mentre questo lavoro è già in corso, l’équipe sta anche approfondendo le implicazioni delle proprie scoperte a livello quantistico, studiando in che modo la durata (nel tempo e nella fase) degli stati di oscillazione collettiva possa influenzare alcune funzioni biologiche, come la fotosintesi.
