Zjawisko kwantowe w białkach rzuca nowe światło na ich funkcjonowanie
Choć wiemy, że informacje w komórkach są przekazywane poprzez reakcje biomolekularne, w szczególności zachodzące między białkami, dokładny mechanizm tego procesu jest wciąż owiany tajemnicą. Najczęściej podawane przez biologów wyjaśnienie mówi, że za proces ten odpowiadają głównie siły elektrostatyczne, które pomagają komórkom w organizowaniu się i koordynowaniu funkcji. Zgodnie z tą powszechnie przyjętą teorią informacja jest przekazywana, gdy reakcje chemiczne rozprzestrzeniają się z jednego miejsca do drugiego pod wpływem losowego ruchu cząsteczek nazywanego ruchami Browna(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Jednak samo istnienie takiego mechanizmu nie wyjaśnia w wystarczającym stopniu ogromnej wydajności tych reakcji w żywych komórkach - istnieje luka wynosząca blisko cztery rzędy wielkości między przewidywaniami tego modelu a wynikami opisanymi w literaturze. Rozwiązaniem jest inny mechanizm”, mówi Jeremie Torres, koordynator projektu LINkS(odnośnik otworzy się w nowym oknie). W ramach projektu LINkS zespół skupił się na aspekcie dynamiki komórkowej znanym jako oddziaływania elektrodynamiczne dalekiego zasięgu (LEDI), aby wyjaśnić, w jaki sposób odpowiednie cząsteczki łączą się ze sobą we właściwym czasie i miejscu, umożliwiając realizację niezwykle wydajnych reakcji biochemicznych. „Wykazaliśmy, że te oddziaływania rzeczywiście występują(odnośnik otworzy się w nowym oknie). To przełomowe odkrycie naukowe, które podważa konwencjonalne założenia biologii molekularnej”, dodaje Torres, pracownik francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (CNRS), które jest gospodarzem projektu.
Nowatorski bioczujnik i laboratorium na układzie
Duże cząsteczki biologiczne, w tym białka, charakteryzują drgania. Gdy grupa cząsteczek drga z tą samą częstotliwością, wytwarzają siły elektrodynamiczne, które powodują interakcje komórkowe - wspomniane wcześniej LEDI. Jak zauważa Torres: „W latach 60. XX wieku H. Fröhlich zaproponował teorię, według której interakcje LEDI występują, gdy energia wszystkich normalnych stanów energetycznych białka zostaje sprowadzona do stanu o najniższej energii, co prowadzi do zjawiska, które nazwał kondensacją”. „Opierając się na naszych wcześniejszych badaniach, w ramach projektu LINkS chcieliśmy jeszcze dokładniej zaprezentować to zjawisko”. Wykrywanie oddziaływań LEDI było dotychczas niezwykle trudne, ponieważ zbiorowe drgania białek są możliwe do wykrywania w niskich częstotliwościach terahercowych (THz), a spektroskopia terahercowa ma trudności z działaniem w środowisku wodnym komórek. Aby rozwiązać ten problem, zespół LINkS opracował przełomowy bioczujnik terahercowy w postaci laboratorium na układzie, którego konstrukcja pozwala w pewnych granicach rozwiązać problem pochłaniania wiązki przez wodę. Spektroskopię terahercową(odnośnik otworzy się w nowym oknie) uzupełniają techniki takie jak rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oraz spektroskopia korelacji fluorescencji(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Po zbadaniu białek za pomocą bioczujnika badacze zestawili wyniki z teoretycznymi modelami elektrodynamiki kwantowej opracowanymi przez partnerów projektu. „Przedstawiliśmy pierwsze dowody doświadczalne na poparcie tezy zaproponowanej przez Fröhlicha, który przewidział, że białka mogą podtrzymywać zbiorowe drgania, tworząc tak zwane kondensaty Fröhlicha, gdy dostarcza się im energii”, zauważa Torres. Zespół wskazał i zbadał różne źródła energii - badania obejmowały procesy oparte na świetle (związane z sprzężeniem ekscytonowo-fononowym) oraz energię cieplną. W ten sposób wykazali, jak istotną rolę odgrywa lokalne otoczenie, w tym otaczające warstwy wodne. „To zapewnia nowe spojrzenie dotyczące transferu energii w obrębie białek i pomiędzy nimi(odnośnik otworzy się w nowym oknie)”, dodaje Torres. „Odkryliśmy nowy rodzaj hybrydowej cząstki kwantowej - polarytonu powstałego w wyniku silnych oddziaływań między światłem a zbiorowymi oscylacjami białek – to ekscytujące odkrycie łączące fizykę z biologią”.
Nowe leki i odkrycia z zakresu biologii kwantowej
Wyniki badań przeprowadzonych w ramach projektu LINkS, które stanowią prawdopodobnie pierwsze doświadczalne dowody na występowanie zjawisk kwantowych w skali białek, są istotne z punktu widzenia wielu obszarów nauki i praktycznych rozwiązań. „Zrozumienie oddziaływania pól elektromagnetycznych na organizmy żywe może otworzyć nowe kierunki badań w dziedzinach medycyny i biologii. Jeśli uda nam się ustalić specyficzny wzorzec białek, być może będziemy w stanie wpływać na ich funkcję oraz na ich powiązania z innymi cząsteczkami chemicznymi w komórce, co pozwoli na przykład na zwiększenie skuteczności leków”, mówi Torres. Równolegle do prac nad tymi zagadnieniami zespół bada również znaczenie swoich odkryć na poziomie kwantowym, analizując, w jaki sposób czas trwania (czasowy i fazowy) zbiorowych drgań może wpływać na funkcje biologiczne, w tym fotosyntezę.
