هل يلعب النفق الكمي دورًا في نشاط الجزيئات البيولوجية؟

قام البروفيسور ديفيد خان، من قسم المواد والسطوح في معهد وايزمان، بدراسة هذه المسألة وافترض أن النفق يحدث في بعض البروتينات كوسيلة للتعامل مع الإلكترونات الزائدة التي قد تلحق الضرر بالبروتين.

عند الحديث عن نفق الكم، يفكر المرء عادة في التجارب الفيزيائية تحت ظروف تحكم فريدة، أو الاندماج النووي في قلب النجوم، أو الأنظمة المستقبلية للحوسبة الكمومية. ومؤخرًا، تمكن علماء معهد وايزمان للعلوم من ملاحظة هذه الظاهرة الكمومية أيضًا في البروتينات الموجودة في الأنظمة البيولوجية المختلفة، بما في ذلك جسم الإنسان. تثير هذه الملاحظات الجديدة احتمال أن تلعب عملية النفق الكمي دورًا أكثر شمولاً مما كان يُعتقد سابقًا في نشاط البروتينات. هذه النتائج المفاجئة، التي نشرت مؤخرا في المجلة العلمية "سجلات الأكاديمية الأمريكية للعلوم" (PNAS)، قد يكون لها آثار كبيرة على البحوث الكيميائية الحيوية للعمليات البيولوجية الأساسية القائمة على التوصيل الإلكتروني، فضلا عن إمكانية التطورات الإلكترونية الحيوية.

حفر الأنفاق هي عملية كمومية، يتم ملاحظتها عادة في المادة الصلبة تحت ظروف معملية خاضعة للرقابة، وعادة في درجات حرارة منخفضة جدًا وبأبعاد أصغر بكثير من البروتين. في الفيزياء الكلاسيكية، لا يمكن لجسيمات المادة المرور عبر الحواجز الفيزيائية أو النشطة. من ناحية أخرى، في فيزياء الكم، هناك احتمال أن تمر الجسيمات من أحد جانبي الحاجز إلى الجانب الآخر، في عملية تعرف باسم "النفق". ومن الصعب جدًا ملاحظة هذه الظاهرة في البروتينات بسبب حجم جزيئات البروتين، وكذلك لأنها مرنة وتتفاعل مع بيئتها.

ويقول البروفيسور ديفيد كاهان من قسم المواد والسطوح إن البحث ولد من نتائج غريبة تم الحصول عليها قبل بضع سنوات في تجربة أجريت بالتعاون مع البروفيسور مردخاي شيفز من قسم الكيمياء العضوية، والبروفيسور إسرائيل Pecht من قسم علم المناعة. اختبرت التجربة التوصيل الكهربائي للبروتينات، واكتشف أن البروتينات توصل الكهرباء بشكل أفضل بكثير مما يمكن توقعه من هذه الجزيئات، حيث أن التوصيل الكهربائي كما نعرفه ونستخدمه في الإلكترونيات، لا يشبه ما يحدث في الأحياء البيولوجية. العمليات. لاحظ الباحثون توصيل الإلكترونات في البروتينات في ظل ظروف متنوعة جدًا، بما في ذلك درجات حرارة مختلفة وعلى مسافات مختلفة بين الأقطاب الكهربائية في التجربة. يقول البروفيسور كان: "لقد كان الأمر غريبًا جدًا". "لأن الفيزياء التي تتعلمها في المدرسة الثانوية تعلم أن قوة التيار تتناقص مع المسافة وتتغير بسبب التسخين (زيادة أشباه الموصلات وانخفاض المعادن). لذلك، هناك آلية واحدة معروفة فقط يمكنها تفسير قلة تأثير درجة الحرارة التي رأيناها، وهي النفق الكمي".

من المفترض أن تكون البروتينات "سيئة" في الظواهر الكمومية الخاضعة للتحكم. كررنا التجربة مرارًا وتكرارًا للتأكد من أن النتائج تشير بوضوح إلى حفر الأنفاق. في المستقبل، قد تؤدي النتائج إلى ظهور رؤى جديدة فيما يتعلق بالنشاط في أجسامنا، بل وتشير إلى اتجاهات جديدة لإنشاء واجهات بين الأنظمة الإلكترونية والأنظمة البيولوجية.

شارك في الدراسة الحالية الدكتور جيري فيريرو، الحاصل على منحة أزريلي لباحثي ما بعد الدكتوراه، والدكتور يو شي، وهو أيضًا باحث ما بعد الدكتوراه، وكلاهما عضوان في الفريق البحثي بقيادة البروفيسور كان وشابز وبيشت. قام الاثنان بتصميم وتنفيذ إعداد تجريبي للبحث عن الظواهر الكمومية في الجزيئات البيولوجية - وهي مهمة معقدة تجمع بين علم الأحياء والإلكترونيات والكيمياء والفيزياء. ضمت المجموعة البحثية أيضًا المنظر: البروفيسور خوان كارلوس كويفاس من جامعة مدريد المستقلة.

كانت العقبة الأولى التي كان عليهم التغلب عليها هي التعامل مع جزيئات البروتين "المهتزة" والهشة. هذا هو المكان الذي تساعد فيه قدرة البروتينات على توصيل الإلكترونات في أي درجة حرارة. أدرك الباحثون أن بإمكانهم إجراء التجربة عند درجة حرارة منخفضة جدًا - أي التجميد السريع للبروتينات إلى حوالي 15 درجة فوق الصفر المطلق - مما سيؤدي إلى القضاء على معظم الاهتزازات الجزيئية. تم تحليل البروتينات المبردة بلطف بين لوحين معدنيين رفيعين، حيث تم تثبيت أحد طرفي كل بروتين بقوة بواسطة رابطة كيميائية إلى صفيحة معدنية واحدة، وظل الطرف الآخر حرًا في الحركة، ولكن بشكل طفيف. ثم تم تطبيق جهد كهربائي منخفض بين اللوحات. سمح الإعداد التجريبي للباحثين بتوصيل الإلكترونات عبر البروتين إلى اللوحة المعدنية الأخرى، وبالتالي فحص سلوكها. وفقًا لهذه الفرضية، كشف تتبع أنماط التقلبات في جزيئات البروتين عن توقيع فريد للنفق.

نتائج جديدة - أسئلة جديدة

النتائج الجديدة لا تتفق مع النماذج المقبولة سواء في مجال الفيزياء أو في مجال أبحاث البروتين. يوضح البروفيسور خان: "من المفترض أن تكون البروتينات سيئة في الظواهر الكمومية الخاضعة للتحكم". ومع ذلك، في ضوء النتائج، لم يكن هناك مفر من الفرضية القائلة بأن النفق يحدث في بعض البروتينات كوسيلة للتعامل مع الإلكترونات الزائدة التي يمكن أن تلحق الضرر بالبروتين. تحتوي العديد من البروتينات على مجموعات كيميائية نشطة قد تعمل كمحطات وسيطة، والتي يمكن الوصول إليها عن طريق حفر نفق "لإيقاف" الإلكترون الزائد حتى يمكن تمرير هذا "الضيف" الخطير ولكن الأساسي. نظرًا لأن النفق يبدو وسيلة فعالة لنقل الإلكترونات داخل البروتينات أو خارجها، فقد يشارك في الوظائف الأساسية التي تعتمد على نقل الإلكترون، مثل التنفس الخلوي والتمثيل الضوئي.

يقول البروفيسور شافيس: "استغرقت التجربة عدة سنوات، وقمنا بتكرار التجارب مرارًا وتكرارًا للتأكد من أن النتائج تشير بوضوح إلى حفر الأنفاق". "في هذه المرحلة ليس لدينا خيار سوى قبول حقيقة أن هذا الدليل يشير إلى أن مرور الإلكترونات عبر البروتينات يحدث من خلال النفق. تشير النتائج إلى أنهم يفعلون ذلك في درجة حرارة الغرفة أيضًا، ويثيرون أسئلة أكثر من الإجابات. وفي المستقبل، قد تؤدي نتائج هذه التجارب إلى ظهور رؤى جديدة فيما يتعلق بالنشاط في أجسامنا، بل وتشير إلى اتجاهات جديدة لإنشاء واجهات بين الأنظمة الإلكترونية والأنظمة البيولوجية.

للمادة العلمية