Met
Het onderzoeken van het leven op individuele schaal biedt een vollediger begrip van de macroscopische wereld.
Kwantumbiologie onderzoekt hoe kwantumeffecten biologische processen beïnvloeden, wat mogelijk kan leiden tot doorbraken in de geneeskunde en biotechnologie. Ondanks de veronderstelling dat kwantumeffecten snel verdwijnen in biologische systemen, blijkt uit onderzoek dat deze effecten een sleutelrol spelen in fysiologische processen. Dit opent de mogelijkheid om deze processen te manipuleren om niet-invasieve, op afstand bestuurbare therapeutische apparaten te creëren. Om dit te bereiken is echter een nieuwe, interdisciplinaire benadering van wetenschappelijk onderzoek nodig.
Stel je voor dat je je mobiele telefoon gebruikt om de activiteit van je eigen cellen te controleren om letsel en ziekte te behandelen. Het klinkt als iets uit de verbeelding van een al te optimistische sciencefictionschrijver. Maar dat kan op een dag een mogelijkheid zijn door het opkomende veld van de kwantumbiologie.
In de afgelopen decennia hebben wetenschappers ongelooflijke vooruitgang geboekt in het begrijpen en manipuleren van biologische systemen op steeds kleinere schaal, van het vouwen van eiwitten tot genetische manipulatie. En toch blijft de mate waarin kwantumeffecten levende systemen beïnvloeden slecht begrepen.
Kwantumverschijnselen zijn verschijnselen die optreden tussen atomen en moleculen die niet kunnen worden verklaard door de klassieke natuurkunde. Het is al meer dan een eeuw bekend dat de regels van de klassieke mechanica, zoals de bewegingswetten van Newton, op atomaire schaal uiteenvallen. In plaats daarvan gedragen kleine objecten zich volgens een andere reeks wetten die bekend staan als kwantummechanica.
Quantummechanica beschrijft de eigenschappen van atomen en moleculen.
Voor mensen, die alleen de macroscopische wereld kunnen waarnemen, of wat zichtbaar is voor het blote oog, kan kwantummechanica contra-intuïtief en enigszins magisch lijken. Dingen die je misschien niet verwacht in de kwantumwereld, zoals elektronen die door kleine energiebarrières “springen” en aan de andere kant ongedeerd tevoorschijn komen, of zich op twee verschillende plaatsen tegelijkertijd bevinden in een fenomeen dat superpositie wordt genoemd.
Ik ben opgeleid als kwantumingenieur. Onderzoek in de kwantummechanica is meestal technologiegericht. Er is echter, en enigszins verrassend, steeds meer bewijs dat de natuur – een ingenieur met miljarden jaren ervaring – heeft geleerd hoe ze kwantummechanica kan gebruiken om optimaal te werken. Als dit inderdaad waar is, betekent dit dat ons begrip van de biologie fundamenteel gebrekkig is. Het betekent ook dat we mogelijk fysiologische processen kunnen beheersen met behulp van de kwantumeigenschappen van biologische materie.
Kwantiteit in de biologie is waarschijnlijk echt
Onderzoekers kunnen kwantumfenomenen manipuleren om betere technologie te creëren. Sterker nog, je leeft al in een wereld van kwantumenergie: van laserpointers tot[{” attribute=””>GPS, magnetic resonance imaging and the transistors in your computer – all these technologies rely on quantum effects.
In general, quantum effects only manifest at very small length and mass scales, or when temperatures approach
Elektronen kunnen op twee plaatsen tegelijk zijn, maar uiteindelijk op één plek terechtkomen.
In een complex, lawaaierig biologisch systeem wordt daarom verwacht dat de meeste kwantumverschijnselen snel zullen verdwijnen, weggespoeld in wat de natuurkundige Erwin Schrödinger de ‘warme, natte omgeving van de cel’ noemde. Voor de meeste natuurkundigen suggereert het feit dat de levende wereld werkt bij hoge temperaturen en in complexe omgevingen dat de biologie adequaat en volledig kan worden beschreven door de klassieke natuurkunde: geen funky barrièreovergang, geen bestaande op meerdere locaties tegelijk.
Chemici hebben echter lang gesmeekt om van mening te verschillen. Onderzoek naar basale chemische reacties bij kamertemperatuur laat duidelijk zien dat processen die plaatsvinden in biomoleculen zoals eiwitten en genetisch materiaal het resultaat zijn van kwantumeffecten. Belangrijk is dat dergelijke nanoscopische, kortstondige kwantumeffecten consistent zijn met het aansturen van sommige macroscopische fysiologische processen die biologen hebben gemeten in levende cellen en organismen. Onderzoek toont aan dat kwantumeffecten biologische functies beïnvloeden, waaronder regulering van enzymactiviteit, detectie van magnetische velden, celmetabolisme en elektronentransport in biomoleculen.
Hoe kwantumbiologie te bestuderen
De verleidelijke mogelijkheid dat subtiele kwantumeffecten biologische processen kunnen wijzigen, is zowel een opwindende grens als een uitdaging voor wetenschappers. Het bestuderen van kwantummechanische effecten in de biologie vereist hulpmiddelen die de kleine tijdschalen, de kleine lengteschalen en de subtiele verschillen in kwantumtoestanden die fysiologische veranderingen veroorzaken kunnen meten – allemaal ingebouwd in een traditionele natte laboratoriumomgeving.
In mijn werk bouw ik instrumenten om de kwantumeigenschappen van kleine dingen zoals elektronen te bestuderen en te beheersen. Net zoals elektronen massa en lading hebben, hebben ze ook een kwantumeigenschap die spin wordt genoemd. Spin definieert hoe elektronen interageren met een magnetisch veld, net zoals lading bepaalt hoe elektronen interageren met een elektrisch veld. De kwantumexperimenten die ik heb gebouwd sinds de graduate school en nu in mijn eigen lab, hebben tot doel op maat gemaakte magnetische velden toe te passen om de spins van specifieke elektronen te veranderen.
Onderzoek heeft aangetoond dat veel fysiologische processen worden beïnvloed door zwakke magnetische velden. Deze processen omvatten de groei en rijping van stamcellen, de snelheid van celproliferatie, herstel van genetisch materiaal en talloze andere. Deze fysiologische reacties op magnetische velden komen overeen met chemische reacties die afhankelijk zijn van de spin van specifieke elektronen in moleculen. Door een zwak magnetisch veld aan te leggen om elektronenspins te veranderen, kunnen de eindproducten van een chemische reactie effectief worden gecontroleerd, met belangrijke fysiologische gevolgen.
Vogels gebruiken kwantumeffecten om te navigeren.
Momenteel is het gebrek aan begrip van hoe dergelijke processen werken in de[{” attribute=””>nanoscale level prevents researchers from determining exactly what strength and frequency of magnetic fields cause specific chemical reactions in cells. Current cellphone, wearable and miniaturization technologies are already sufficient to produce tailored, weak magnetic fields that change physiology, both for good and for bad. The missing piece of the puzzle is, hence, a “deterministic codebook” of how to map quantum causes to physiological outcomes.
In the future, fine-tuning nature’s quantum properties could enable researchers to develop therapeutic devices that are noninvasive, remotely controlled and accessible with a mobile phone. Electromagnetic treatments could potentially be used to prevent and treat disease, such as brain tumors, as well as in biomanufacturing, such as increasing lab-grown meat production.
A whole new way of doing science
Quantum biology is one of the most interdisciplinary fields to ever emerge. How do you build community and train scientists to work in this area?
Since the pandemic, my lab at the University of California, Los Angeles and the University of Surrey’s Quantum Biology Doctoral Training Centre have organized Big Quantum Biology meetings to provide an informal weekly forum for researchers to meet and share their expertise in fields like mainstream quantum physics, biophysics, medicine, chemistry and biology.
Research with potentially transformative implications for biology, medicine and the physical sciences will require working within an equally transformative model of collaboration. Working in one unified lab would allow scientists from disciplines that take very different approaches to research to conduct experiments that meet the breadth of quantum biology from the quantum to the molecular, the cellular and the organismal.
The existence of quantum biology as a discipline implies that traditional understanding of life processes is incomplete. Further research will lead to new insights into the age-old question of what life is, how it can be controlled and how to learn with nature to build better quantum technologies.
Written by Clarice D. Aiello, Quantum Biology Tech (QuBiT) Lab, Assistant Professor of Electrical and Computer Engineering, University of California, Los Angeles.
This article was first published in The Conversation.
