Квантовые эффекты в белках: как мельчайшие частицы координируют передачу энергии внутри клеток

Ученые доказали, что транспортировка протонов в клетках управляется как химическими, так и квантово-механическими законами, что может привести к прорывам в диагностике и разработке лекарств.

Изображение кристалла лизоцима, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Источник: HUJI Nano center

Работа специалистов Еврейского университета в Иерусалиме доказала, что транспортировка протонов в биологическом материале, таком как белки, непосредственно связана со спином электронов. Это значит, что перемещение протонов в живых клетках — не только химическая реакция, но и квантово-механическое явление, обусловленное спином электронов и структурой молекул, пишет Phys.org.

Небольшие колебания окружающей среды оказывают прямое воздействие на движение протонов. Ученые обнаружили, что оно подвержено строгому контролю, избирательности и настройке, которые раньше считались невозможными. Открытие подтверждает наличие прямой связи между квантовыми физическими явлениями и биохимическими процессами, создавая перспективы для глубокого изучения фундаментальных основ жизни и разработки инновационных технологий, подражающих живым организмам.

Сообщается, что эксперты провели эксперименты, показавшие тесную взаимосвязь между движением электронов и протонов в биологических материалах. Они исследовали структуру белка лизоцима, широко распространенного фермента в организме животных и растений.

Схематическая модель взаимодействия электронов и протонов в хиральных средах.

Источник: phys.org

Ранее предполагалось, что основной механизм транспорта протонов — «прыжки» между молекулами воды и аминокислотами. Новое исследование демонстрирует, что движение протонов также определяется направлением вращения электронов — параметром, известным как спин. Введение в кристаллы лизоцима электронов с заданным спином вызывает изменение направления потока протонов. Феномен обусловлен активацией хиральных фононов — специфических колебаний в кристаллической решетке, — обеспечивающих взаимодействие спиновых характеристик электронов и подвижности протонов.

«Полученные нами данные свидетельствуют о том, что перемещение протонов в биологических структурах связано не только с химическими процессами, но и с явлениями квантовой физики. Это открытие позволяет глубже проникнуть в механизмы передачи энергии и информации в живом организме, открывая перспективы для новых исследований», — комментирует руководитель эксперимента Наама Горен.

Эксперт надеется, что полученные знания помогут создать принципиально новые инструменты для диагностики заболеваний, разработки лекарств и оптимизации энергопроизводства.

Тем временем российские ученые разработали уникальную вакцину от аллергии.