Prawa mechaniki kwantowej dotyczą atomów i cząsteczek. Zjawiska te są niezwykle wrażliwe na zakłócenia. Dlatego na przykład komputery kwantowe muszą być utrzymywane w temperaturach bliskich zera bezwzględnego. Z kwantowego punktu widzenia układy biologiczne wydają się zupełnie nieodpowiednim środowiskiem dla zjawisk kwantowych. Są za ciepłe, zbyt chaotyczne, a poza tym nawet ich podstawowe elementy w rodzaju komórek są bardzo duże w porównaniu z atomami.

Mimo tych niesprzyjających warunków naukowcy z Howard University (USA) współpracujący z kolegami z École Polytechnique Fédérale de Lausanne w Szwajcarii oraz włoskim uniwersytetem we Florencji odkryli kwantowy efekt, który może również stanowić sposób na ochronę mózgu przed chorobami zwyrodnieniowymi, takimi jak choroba Alzheimera. Zdaniem autorów ich odkrycie może mieć znaczenie nie tylko dla neuronauki, ale również dla informatyki kwantowej.

„Wierzę, że nasza praca stanowi milowy krok w biologii kwantowej, wyprowadzający nas poza fotosyntezę i wkraczający w inne obszary eksploracji: badanie implikacji dla przetwarzania informacji kwantowej i odkrywanie nowych podejść terapeutycznych w przypadku złożonych chorób” – powiedział dr Philip Kurian, główny badacz, założyciel i dyrektor Laboratorium Biologii Kwantowej na Howard University w Waszyngtonie.

Kluczową rolę w biologicznych zjawiskach kwantowych wydaje się odgrywać tryptofan - aminokwas, którego ludzki organizm nie potrafi wytwarzać i musi być dostarczany z pożywieniem. Tryptofan jest konieczny do wzrostu, jest też prekursorem wielu związków bioaktywnych, na przykład serotoniny, nazywanej hormonem szczęścia, witaminy B6 czy regulującej sen melatoniny. Źródłem tryptofanu są produkty roślinne lub zwierzęce zawierające białko. Najwięcej tryptofanu zawierają pestki dyni i słonecznika, nasiona sezamu, chia, siemię lniane, banany, kakao, jajka, ser żółty, mięso (zwłaszcza mięso indyka) i produkty sojowe.

Jako aminokwas tryptofan jest podstawowym elementem budulcowym białek i większych struktur zbudowanych z tych białek, takich jak rzęski, wici i centriole.

Jeśli chodzi o właściwości kwantowe, pojedyncza cząsteczka tryptofanu zachowuje się raczej typowo: może absorbować cząstkę światła (foton) o określonej częstotliwości i emitować inny foton o innej częstotliwości. Proces ten to fluorescencja.

Jednak nowe badanie wykazało, że gdy wiele cząsteczek tryptofanu układa się w symetryczną sieć (na przykład tworząc odgrywające ważną rolę w podziałach komórkowych rurkowate centriole) – fluoryzują silniej i szybciej, niż gdyby fluoryzowały niezależnie. To kolektywne zachowanie nazywa się „superradiancją”.

Duże struktury białkowe zawierające tryptofan istnieją w komórkach układu nerwowego – neuronach. Superradiancja kwantowa może mieć istotne znaczenie – zarówno gdy chodzi o przekazywanie sygnałów, jak i ochronę przed chorobami zwyrodnieniowymi.

Zwyrodnieniowe choroby mózgu, takie jak choroba Alzheimera, wiążą się z wysokim stopniem stresu oksydacyjnego, gdy w organizmie gromadzi się duża liczba wolnych rodników, które mogą emitować szkodliwe, wysokoenergetyczne fotony UV. Tryptofan może absorbować światło ultrafioletowe i emitować światło o niższej, bezpieczniejszej energii. Jak wykazało nowe badanie, bardzo duże sieci złożone z tryptofanu mogą to robić jeszcze wydajniej ze względu na efekty kwantowe. Autorzy mają nadzieję, że ich praca zainspiruje szereg nowych eksperymentów mających na celu zrozumienie roli wzmocnionej kwantowo fotoprotekcji w złożonych patologiach, które rozwijają się w warunkach silnie utleniających.

Drugim wartym uwagi zjawiskiem związanym z superradiancją w mózgu jest związek z przekazywaniem sygnałów przez neurony. Standardowy model sygnalizacji neuronalnej obejmuje jony przemieszczające się przez błonę komórkową z jednego końca neuronu na drugi w procesie chemicznym, który dla każdego sygnału trwa kilka milisekund. Jednak badacze zajmujący się neuronauką dopiero niedawno zdali sobie sprawę, że to nie może być jedyne zjawisko związane z wymianą informacji w mózgu.

Superradiancja w mózgu zachodzi w czasie krótszym niż pikosekunda – czyli miliardowa część milisekundy. Sieci tryptofanu mogą działać jak kwantowe światłowody, które pozwalają mózgowi przetwarzać informacje setki milionów razy szybciej, niż pozwalają same procesy chemiczne.

Teoretyczna strona omawianej pracy przyciągnęła uwagę badaczy technologii kwantowej, ponieważ przetrwanie delikatnych efektów kwantowych w tak trudnym środowisku jest bardzo interesujące dla tych, którzy chcą zwiększyć odporność kwantowej technologii informacyjnej.(PAP)

Paweł Wernicki

pmw/ bar/