Bakterie vědí, jak využívat kvantovou mechaniku k výrobě energie

Fotosyntetizující bakterie se přizpůsobují prostředí pomocí kvantové mechaniky k řízení energie.

Fotosyntetické organismy sklízejí světlo ze slunce, aby produkovaly energii, kterou potřebují k přežití. Nový příspěvek publikovaný v University of Chicago vědci odhalili své tajemství: využívat mechaniku jako celek.

„Před touto studií se vědecká komunita zabývala kvantovými podpisy produkovanými biologickými systémy a zeptala se, zda jsou tyto výsledky jednoduše výsledkem biologie vytvořené z molekul, nebo měly nějaký účel?“ řekl Greg Engel, profesor chemie a hlavní autor studie. „Je to poprvé, co jsme viděli, jak biologie aktivně využívá kvantové efekty.“

Bakterie používají pravidla kvantových mechanismů

Skupina vědců z University of Chicago objevila, že některé bakterie záměrně používají pravidla kvantové mechaniky k záchraně svého fotosyntetického zařízení před poškozením kyslíkem. Uznání: Ilustrace Greg Engel

Vědci studovali třídu mikroorganismů nazývaných zelené bakterie síry. Tyto bakterie potřebují k přežití světlo, ale i malé množství kyslíku může poškodit jejich nebezpečná fotosyntetická zařízení. Musí tedy učinit způsoby, jak minimalizovat poškození, když je kyslík vystaven kyslíku.

Při studiu tohoto procesu vědci sledovali pohyb energie fotosyntetickým proteinem za různých podmínek – s kyslíkem v prostředí i bez něj.

Zjistili, že bakterie používají kvantový mechanický efekt zvaný vibronické míchání k pohybu energie mezi dvěma různými cestami, v závislosti na tom, zda je v prostředí kyslík. Vibronické míchání zahrnuje dynamické a elektronické vlastnosti vzájemného spojování molekul. Ve skutečnosti jsou vibrace tak úplně smíchány s elektronickými stavy, že jejich rozpoznávání je neoddělitelné. Tato bakterie používá tento jev k vedení energie tam, kam potřebuje.

Jake Higgins a Lawson Lloyd vyladí laser

Vědci z University of Chicago Jake Higgins a Lawson Lloyd upravili laser v laboratoři Grega Engela. Kredit: Foto Siddhartha Sohoni

Pokud v prostředí není kyslík a bakterie je bezpečná, používá bakterie vibronické míchání k vyrovnání energetického rozdílu mezi dvěma elektronickými stavy v sestavě molekul a proteinu zvaného komplex FMO, který silně třese molekulou bakteriochlorofylu. Stimuluje energii k toku „normální“ cestou k fotosyntetickému reakčnímu centru, které je plné chlorofylu.

Ale když je v prostředí kyslík, organismus se změní tak, aby obsahoval energii méně přímým kanálem, kterým může být uhasen. (Vypnutí hlasitosti je podobné položení dlaně na vibrující strunu kytary, aby se hlasitost rozptýlila.) Tímto způsobem bakterie ztrácejí energii, ale zachovávají celý systém.

K dosažení tohoto účinku působí jako spouštěč dvojice cysteinových zbytků ve fotosyntetickém komplexu: Každý reaguje s kyslíkem v prostředí ztrátou protonu, což brání směšování vibronu. To znamená, že energie je nyní zvolena pro přesun na alternativní cestu, kde ji lze bezpečně vypnout. Tento princip je stejný jako blokování dvou linek na dálnici a přesměrování provozu na místní silnice, kde je několik sjezdů.

Jake Higgins

Postgraduální student University of Chicago a první autor studie Jake Higgins vedle laseru, ze kterého byla data převzata. Uznání: Foto Lawson Lloyd, University of Chicago

“Zajímavé na tomto výsledku je, že jsme zjistili, že protein aktivuje a odpuzuje vibronickou vazbu v reakci na změny v buněčném prostředí,” řekl Jake Higgins, postgraduální student na katedře chemie a hlavní autor článku. „Protein využívá kvantový účinek k ochraně organismu před oxidačním poškozením.“

Tato zjištění přinášejí nové vzrušující odhalení o biologii; použití jasného kvantového mechanismu k ochraně systému naznačuje významné přizpůsobení a že kvantové efekty mohou být nezbytné pro přežití.

Podle vědců není tento jev pravděpodobně omezen na zelené bakterie síry. Jak vysvětluje Higgins: „Jednoduchost mechanismu naznačuje, že jej lze nalézt v jiných fotosyntetických organismech prostřednictvím evoluční krajiny. Pokud by více organismů dokázalo modulovat kvantové mechanické vazby ve svých molekulách, aby provedlo mnoho fyziologických změn, může dojít k nové sadě účinků vybrán do přírody, kterou zatím neznáme.

Odkaz: „Fotosyntéza se zaměřuje na kvantově mechanické směšování elektroniky a šetření stavu pro řízení přenosu energie excitonu“ autorů Jacob S. Higgins, Lawson T. Lloyd, Sara H. Sohail, Marco A. Allodi, John P Otto, Rafael G. Saer, Ryan E. Wood, Sara C. Massey, Po-Chieh Ting, Robert E. Blankenship a Gregory S. Engel, 8. března 2021, Metody Národní akademie věd.
DOI: 10.1073 / pnas.2018240118

Financování: Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), NSF, DOE Office of Science, Department of Defense (DoD), Arnold and Mabel Beckman Foundation.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Objeven vzácný supravodič – může být rozhodující pro budoucnost kvantové práce na počítači

Výzkum vedený Kentem a laboratoří STFC Rutherford Appleton Laboratory vedl k objevu nového vzácného topologického supravodiče LaPt3P. Tento objev může mít velký význam pro...

Mimořádný příklad toho, jak voda a led mohou formovat zemi

29. května 2021 Jedna z největších delt na světě je pozoruhodným příkladem toho, jak voda a led mohou formovat pevninu. Delta Yukon-Kuskokswim je jednou z největších...

Prehistorický typ člověka, který byl dříve vědě neznámý

Statická lebka, dolní čelist a temenní pravopis. Fotografický kredit: Tel Avivská univerzita Dramatický objev během izraelských vykopávek Objev nové homo skupiny v této oblasti, která...

Jak vznikla supermasivní černá díra

Výzkum vedený Kalifornskou univerzitou, Riverside poukázal na semeno černé díry vytvořené zhroucením halo temné hmoty. Supermasivní černé díry neboli SMBH jsou černé díry s hmotností...

MIT dosahuje významného pokroku směrem k plné implementaci kvantového výpočtu

Nastavitelná spojka může zapnout a vypnout interakci qubit-qubit. Nežádoucí, zbytkové (ZZ) interakce mezi dvěma qubity jsou eliminovány použitím vyšších úrovní energie v konektoru....

Newsletter

Subscribe to stay updated.