Kuantum biyolojisi

Kuantum biyolojisi, kuantum mekaniğinin ve teorik kimyanın biyolojik nesnelere ve problemlere uygulamalarının incelenmesidir. Birçok biyolojik süreç, enerjinin kimyasal dönüşümler için kullanılabilen biçimlere dönüştürülmesini içerir ve doğası gereği kuantum mekaniktir. Bu tür süreçler, kimyasal reaksiyonları, ışık emilimini, uyarılmış elektronik durumların oluşumunu, uyarma enerjisinin aktarımını ve fotosentezi, koku almayı ve hücresel solunum gibi kimyasal süreçlerde elektron ve protonların (hidrojen iyonları) aktarımını içerir.

Kuantum biyolojisi, biyolojik etkileşimleri kuantum mekaniksel etkiler ışığında modellemek için hesaplamaları kullanabilir. Kuantum biyolojisi, biyolojik süreci temel fiziğe indirgeyerek açıklanabilen önemli kuantum fenomenlerinin etkisiyle ilgilenir, ancak bu etkilerin incelenmesi zor ve spekülatif olabilir.

Kuantum biyolojisi gelişmekte olan bir alandır; Mevcut araştırmaların çoğu teoriktir ve daha fazla deney gerektiren sorulara tabidir. Alan yakın zamanda ilgi görmüş olsa da, 20. yüzyıl boyunca fizikçiler tarafından kavramsallaştırıldı. Kuantum biyolojisinin tıp dünyasının geleceğinde kritik bir rol oynayabileceği öne sürüldü. Kuantum fiziğinin ilk öncüleri, biyolojik problemlerde kuantum mekaniğinin uygulamalarını öngördüler. Erwin Schrödinger'in 1944 tarihli kitabı Hayat Nedir? kuantum mekaniğinin biyolojideki uygulamalarını tartıştı. Schrödinger, kovalent kimyasal bağların konfigürasyonunda genetik bilgi içeren bir "periodik kristal" fikrini ortaya attı. Ayrıca mutasyonların "kuantum sıçramaları" ile ortaya çıktığını öne sürdü. Schrödinger haricindeki diğer öncüler olan Niels Bohr, Pascual Jordan ve Max Delbruck, kuantum tamamlayıcılık fikrinin yaşam bilimleri için temel olduğunu savundu. 1963'te Per-Olov Löwdin, DNA mutasyonu için başka bir mekanizma olarak proton tünellemeyi yayınladı. Makalesinde, "kuantum biyolojisi" adı verilen yeni bir çalışma alanı olduğunu belirtti. 1979'da Ukraynalı fizikçi Alexander Davydov, "Biyoloji ve Kuantum Mekaniği" başlıklı kuantum biyolojisi üzerine ilk ders kitabını yayınladı.

Fotosenteze giren organizmalar, antenlerdeki elektron uyarımı süreci yoluyla ışık enerjisini emer. Bu antenler organizmalar arasında farklılık gösterir. Örneğin, bakteriler halka benzeri antenler kullanırken bitkiler fotonları emmek için klorofil pigmentleri kullanır. Fotosentez Frenkel eksitonlarını yaratır. Frankel eksitonları bir yük ayrımına sebep olur. Bu yük ayrımı hücreler tarafından kullanılabilir kimyasal enerjiye dönüştürülür. Tepkime alanlarında toplanan enerji, floresan veya termal titreşim hareketinde kaybolmadan önce hızlı bir şekilde aktarılmalıdır.

Yeşil kükürt bakterilerindeki FMO kompleksi gibi çeşitli yapılar, enerjinin antenlerden reaksiyon bölgesine aktarılmasından sorumludur. Elektron absorpsiyonu ve transferine ilişkin FT elektron spektroskopisi çalışmaları, difüzyon modeli gibi klasik mekanik modellerle açıklanamayan, %99'un üzerinde bir verimlilik göstermektedir. Buna alternatif olarak, 1938 gibi erken bir tarihte, bilim adamları, kuantum tutarlılığının uyarma enerjisi aktarımı için mekanizma olduğunu teorileştirdiler.

Bilim adamları yakın zamanda bu önerilen enerji aktarım mekanizmasının deneysel kanıtlarını aradılar. 2007'de yayınlanan bir çalışma, elektronik kuantum tutarlılığının -196 °C (77 K) sıcaklığında tanımlandığını iddia etti. 2010'daki bir başka teorik çalışma, kuantum tutarlılığının biyolojik olarak ilgili sıcaklıklarda (4 °C veya 277 K) 300 femtosaniye kadar var olduğuna dair kanıt sağladı. Aynı yıl, iki boyutlu foton eko spektroskopisi kullanılarak fotosentetik kriptofit algler üzerinde yapılan deneyler, uzun vadeli kuantum tutarlılığı için daha fazla doğrulama sağladı. Bu çalışmalar, evrim yoluyla doğanın fotosentezin verimliliğini artırmak için kuantum tutarlılığı korumanın bir yolunu geliştirdiğini gösteriyor. Ancak, eleştirel takip çalışmaları bu sonuçların yorumlanmasını sorgulamaktadır. Tek molekül spektroskopisi artık statik düzensizliğin müdahalesi olmadan fotosentezin kuantum özelliklerini gösteriyor. Bazı çalışmalar, bu yöntemi kullanarak kromoforlarda meydana gelen nükleer dinamiklere elektronik kuantum tutarlılığının izlerini tespit etti. Beklenmedik bir şekilde uzun olan tutarlılığı açıklamak için bir takım öneriler ortaya atıldı. Bir öneriye göre, kompleksin içindeki her alanın kendi çevresel gürültüsünü hissetmesi durumunda, hem kuantum tutarlılığı hem de termal ortam nedeniyle elektron herhangi bir lokal minimumda kalmayacak, bunun yerine tepkime alanına kuantum yürüyüşleriyle ilerleyecektir. Başka bir öneriye göre ise, kuantum tutarlılığı ve elektron tünelinin hızı, elektronu tepkime bölgesine hızlı bir şekilde hareket ettiren bir enerji lavabosu oluşturur. Bir takım diğer çalışmalara göre ise, kompleksteki geometrik simetriler, reaksiyon merkezine verimli enerji transferini teşvik edebilir, kuantum ağlarında mükemmel durum transferini yansıtabilir. Ayrıca, yapay boya molekülleri ile yapılan deneyler, kuantum etkilerinin 100 femtosaniyeden daha uzun sürdüğünü yorumlama konusundaki şüpheleri göstermiştir.

2017'de, orijinal FMO proteini ile ortam koşullarında yapılan ilk kontrol deneyi, elektronik kuantum etkilerinin 60 femtosaniye içinde silindiğini, genel eksiton aktarımının ise birkaç pikosaniye kadar bir zaman aldığını doğruladı. 2020'de, bir derleme makalesi, FMO sisteminde uzun ömürlü elektronik tutarlılıkları olarak önerilen kuantum etkilerinin geçerli olmadığı sonucuna varmıştır. Taşıma dinamiklerini araştıran araştırmalar ise, FMO komplekslerinde elektronik ve titreşimsel uyarma modları arasındaki etkileşimlerin, eksiton enerjisinin transferi için yarı-klasik, yarı-kuantum bir açıklama gerektirdiğini öne sürdü. Başka bir deyişle, kısa vadede kuantum tutarlılık hakim olsa da, eksitonların uzun vadeli davranışını tanımlamak için klasik bir açıklama en doğru olanıdır.

Fotosentezde neredeyse %100 verimliliğe sahip bir başka süreç de yük transferidir, bu da yine kuantum mekaniksel fenomenlerin etkin olduğunu düşündürüyor. 1966'da fotosentetik bakteri Chromatium üzerinde yapılan bir araştırma, 100 K'nin altındaki sıcaklıklarda sitokrom oksidasyonunun sıcaklıktan bağımsız, yavaş (milisaniye düzeyinde) ve çok düşük aktivasyon enerjisindeolduğunu buldu. Yazarlar, Don DeVault ve Britton Chase, elektron transferinin bu özelliklerinin, klasik olarak gerekli olandan daha az enerjiye sahip olmalarına rağmen elektronların potansiyel bir bariyere nüfuz ettiği kuantum tünellemenin göstergesi olduğunu öne sürdüler.

Deoksiribonükleik asit, DNA, vücutta protein oluşması için talimat verme görevini görür. Guanin, timin, sitozin ve adenin olmak üzere 4 nükleotidden oluşur. Bu nükleotidlerin sırası, farklı proteinler için "tarifi" verir.

Bir hücre ne zaman çoğalırsa, bu DNA dizilerini kopyalaması gerekir. Ancak bazen DNA zincirinin kopyalanması sürecinde bir mutasyon veya DNA kodunda bir hata meydana gelebilir. DNA mutasyonunun arkasındaki mantık için bir teori, Lowdin DNA mutasyon modelinde açıklanmıştır. Bu modelde, bir nükleotid, bir kuantum tünelleme işlemi yoluyla formunu değiştirebilir. Bu nedenle, değişen nükleotid, orijinal baz çiftiyle eşleşme yeteneğini kaybedecek ve sonuç olarak DNA zincirinin yapısını ve sırasını değiştirecektir.

Morötesi ışıklarına ve diğer radyasyon türlerine maruz kalmak DNA mutasyonuna ve hasarına neden olabilir. Radyasyonlar ayrıca DNA zinciri boyunca pirimidinlerdeki bağları değiştirebilir ve primidinlerin birbirleri ile bağlanarak bir dimer oluşturmasına neden olabilir.

Birçok prokaryot ve bitkide, bu bağlar bir DNA onarım enzimi fotoliyaz tarafından orijinal hallerine geri döndürülür. Ön ekinden de anlaşılacağı gibi, fotoliyaz, ipliği onarmak için ışığa bağımlıdır. Fotoliyaz, DNA'yı tamir ederken kofaktörü FADH, flavin adenin dinükleotidi ile çalışır. Fotoliyaz, görünür ışık tarafından uyarılır ve bir elektronu kofaktör FADH-'ye aktarır. Artık fazladan bir elektrona sahip olan FADH, bağı kırmak ve DNA'yı onarmak için elektronu dimere verir. Elektronun bu transferi, elektronun FADH'den dimere tünellenmesi yoluyla yapılır. Tünel oluşturma aralığı bir vakumda mümkün olandan çok daha büyük olmasına rağmen, bu senaryodaki tünellemenin "süper değişim aracılı tünelleme" olduğu söylenir ve proteinin elektronun tünelleme oranlarını artırma yeteneği nedeniyle mümkündür.

Koku alma duyusu iki kısma ayrılabilir; bir kimyasalın alınması ile saptanması ve bu saptamanın beyne nasıl gönderildiği ile beyin tarafından nasıl işlendiği. Aslında kokuyu tespit etme süreci hala sorgulanmaktadır. "Koku almanın şekil teorisi" olarak adlandırılan bir teori, belirli koku alma reseptörlerinin belirli kimyasallar tarafından tetiklendiğini ve bu reseptörlerin beyne belirli bir mesaj gönderdiğini öne sürüyor. Başka bir teori (kuantum fenomenine dayanan), koku alma reseptörlerinin kendilerine ulaşan moleküllerin titreşimini algıladığını ve "koku"nun farklı titreşim frekanslarından kaynaklandığını öne sürer, bu teoriye "koku almanın titreşim teorisi" denir.

1938'de Malcolm Dyson tarafından oluşturulan ancak 1996'da Luca Turin tarafından yeniden canlandırılan koku almanın titreşim teorisi, koku alma mekanizmasını esnek olmayan elektron tünellemesi (bu tünellemede elektron, moleküller arasında enerji kaybeder) nedeniyle moleküler titreşimleri algılayan G-protein reseptörlerine dayandırır. Bu süreçte bir molekül, bir G-protein reseptörünün bağlanma bölgesini dolduracaktır. Kimyasalın reseptöre bağlanmasından sonra kimyasal, elektronun protein yoluyla aktarılmasına izin veren bir köprü görevi görecektir. Elektron, aksi takdirde bir bariyer olacak olanın üzerinden geçerken, yeni bağlanan molekülün reseptöre titreşimi nedeniyle enerji kaybeder. Bu olay, molekülü koklama yeteneği ile sonuçlanır.

Titreşim teorisi bazı deneysel kavram kanıtlara sahip olsa da, deneylerde çok sayıda tartışmalı sonuç vardır. Bazı deneylerde hayvanlar, farklı frekans ve aynı yapıdaki moleküller arasındaki kokuları ayırt edebilmektedir. Diğer deneyler ise, insanların farklı moleküler frekanslar nedeniyle ayırt edilebir kokuların farkında olmadığını gösterdi.

Görme, fototransdüksiyon adı verilen süreçte ışık sinyallerini aksiyon potansiyeline dönüştüren kuantize enerjiye dayanır. Fototransdüksiyonda, bir foton, ışık reseptöründeki bir kromofor ile etkileşir. Kromofor fotonu emer ve fotoizomerizasyona uğrar. Yapıdaki bu değişiklik, foto alıcının yapısında bir değişikliğe neden olur ve sonuçta ortaya çıkan sinyal iletim yolları, görsel bir sinyale yol açar. Bununla birlikte, fotoizomerizasyon reaksiyonu hızlıca, 200 femtosaniyenin altında , yüksek verimle gerçekleşir. Bu verimliliği elde etmek için temel durumu ve uyarılmış durum potansiyellerini şekillendirmede kuantum etkilerinin rol oynadığı düşünülmektedir.

Deneyler, insan gözünün retinasındaki sensörlerin tek bir fotonu algılayacak kadar hassas olduğunu göstermiştir. Tek foton algılama vasfı, yeni teknolojilerin önünü açabilmektedir. Gelişen alanlardan biri ise, kuantum iletişimi ve kriptografidir. Buradaki fikir, gözü analiz etmek için retinanın genelinde sadece az sayıda nokta kullanarak biyometrik bir sistem oluşturmaktır. Bu sistem retinayı okuyan ve bireyi tanımlayan fotonların rastgele yanıp sönmesinden faydalanır. Bu biyometrik sistem, yalnızca spesifik retina haritasına sahip belirli bir kişinin mesajın kodunu çözmesine izin verir.

Mitokondri gibi organellerin hücre içi enerjiyi dönüştürmek için kuantum tünellemeyi kullandığı düşünülmektedir. Geleneksel olarak, mitokondrinin hücre enerjisinin çoğunu kimyasal ATP formunda ürettiği bilinmektedir. Biyokütlenin kimyasal ATP'ye mitokondrisel dönüşümü, klasik insan yapımı motor sisteminden daha üstündür ve %60-70 seviyesinde verimlidir. Kimyasal ATP elde etmek için kimyasal dönüşümden önce bir ön aşamanın gerekli olduğunu bulunmuştur; elektronların ve hidrojen iyonlarının (H+) kuantum tünellemesi yoluyla gerçekleşen bu adım, organel içinde meydana gelen kuantum fiziğine daha derin bir bakış gerektirir.

Tünelleme bir kuantum mekanizması olduğundan, biyolojik bir sistemde partikül transferi için bu sürecin nasıl meydana gelebileceğini anlamak önemlidir. Tünelleme, büyük ölçüde potansiyel bariyerin şekli ve boyutuna bağlıdır. Gelen parçacık bir dalga denklemi ile tanımlanabildiğinden, tünelleme olasılığı potansiyel bariyerin şekline üstel bir şekilde bağlıdır, yani eğer bariyer çok geniş bir yarığa benziyorsa, gelen parçacığın tünelleme olasılığı azalacaktır. Potansiyel bariyer, bir anlamda, gerçek bir biyomateryal bariyer şeklinde var olabilir. Mitokondri, ~75 Å (~7.5 nm) kalınlıkta, hücresel zara benzer bir zar yapısı ile çevrilidir. Sinyallerin (elektronlar, protonlar, H+ formunda) geliş bölgesinden (mitokondrinin içi) ve kabul bölgesinden (elektron taşıma zinciri proteinleri gibi) aktarılmasına olanak sağlamak için mitokondrinin iç zarı aşılmalıdır. Parçacıkları transfer etmek adına mitokondri zarı, söz konusu parçacığı çeken ilgili bir yük dağılımını oluşturmak için doğru fosfolipid yoğunluğuna sahip olmalıdır. Örneğin, daha yüksek bir fosfolipid yoğunluğu için, zar daha büyük bir proton iletkenliği oluşturmaya çabalar.

Daha teknik bir açıklama aşağıdaki paragrafta sunulmuştur. Mitokondri yapısı, tümü çeşitli protein bölgelerini barındıran iç mitokondriyal zar (İMZ) ve iç zar boşlukları (İZB) ile matrisi içerir. Mitokondri, karbonhidratlardan ve yağlardan hidrojen iyonlarının oksidasyonu ile ATP üretir. Bu işlem, elektron taşıma sistemindeki (ETS) elektronları kullanır. Elektron taşınmasının soykütüğü şu şekilde ilerler: NADH'den gelen elektronlar, İMZ'de bulunan NADH dehidrojenazına (kompleks I proteini) aktarılır. Kompleks I'den gelen elektronlar, CoQH2'yi oluşturmak adına koenzim Q'ya aktarılır; daha sonra elektronlar sitokrom içeren bir İMZ proteini olan kompleks III'e aktarılır, bunu takiben elektronlar sitokrom c'ye aktarılır, buradan ise elektronlar kompleks IV'e ilerler; kompleks IV, ETS solunum zincirinin son İMZ protein kompleksidir. Bu son protein, elektronların oksijeni O2 molekülünden tek bir O'ya indirgemesine olanak verir, böylece tek oksijen iyonları hidrojen iyonlarına bağlanarak H2O üretebilirler. Elektronların ETS yoluyla hareketinden üretilen enerji, mitokondri matrisinden İZB'ye proton hareketini (H+ pompalaması olarak bilinir) tetikler. Herhangi bir yük hareketi bir manyetik alan oluşturduğundan, İZB artık matris boyunca bir kapasitans barındırır. Bu kapasitans, potansiyel bariyer olarak bilinen potansiyel enerjiye benzer. Bu potansiyel enerji, protonları (H+) matrise geri iterek ATP oluşturmak için ADP'yi başka bir P ile birleştiren kompleks V (ATP sentaz) vasıtasıyla ATP sentezine rehberlik eder (bu süreç oksidatif fosforilasyon olarak bilinir). Son olarak, dış mitokondriyal zar (DMZ), VDAC adı verilen voltaja bağlı bir anyon kanalına ev sahipliği yapar. Bu kanal, ATP transferi için gereken enerji sinyallerini elektro-kimyasal çıkışlara dönüştürmek için önemlidir.

Alexander Davydov, genel olarak protein alfa sarmallarında enerjinin taşınmasını ve özel olarak kas kasılmasının fizyolojisini açıklamak için moleküler solitonların kuantum teorisini geliştirdi. Davydov, moleküler solitonların, hidrojen bağlı peptit gruplarının kafesi içindeki amit I eksitonları ve fonon deformasyonlarının doğrusal olmayan etkileşimi yoluyla şekillerini koruyabildiklerini gösterdi. 1979'da Davydov, proteinlerin, hücre zarlarının, biyoenerjetiklerin, kas kasılması ve biyomoleküllerde elektron taşınmasının kuantum dinamiklerini içeren kuantum biyolojisi hakkındaki "Biyoloji ve Kuantum Mekaniği" başlıklı eksiksiz ders kitabını yayınladı.

Manyetoresepsiyon, hayvanların dünyanın manyetik alanının eğimini kullanarak gezinme yeteneğini ifade eder. Manyetoresepsiyon için olası bir açıklama, dolanık radikal çift mekanizmasıdır. Radikal çift mekanizması, spin kimyasında iyi bir şekilde anlaşılmıştır ve 1978'de Schulten ve arkadaşları tarafından manyetoresepsiyon için de geçerli olduğu tahmin edilmiştir. Singlet ve triplet çiftleri arasındaki oran, dolanık elektron çiftlerinin dünyanın manyetik alanı ile etkileşimisiyle değiştirilir. 2000 yılında kriptokrom molekülünün, manyetik olarak hassas radikal çiftlerini barındırabilen bir "manyetik molekül" olduğu önerildi. Avrupa kızılgerdanlarının ve diğer hayvan türlerinin gözlerinde bulunan bir flavoprotein olan kriptokrom, hayvanlarda foto-indüklenmiş radikal çiftleri oluşturduğu bilinen tek proteindir. Hafif parçacıklarla etkileşime girdiğinde, kriptokrom hem foto-indirgeme hem de oksidasyon sırasında radikal çiftler veren bir redoks reaksiyonundan geçer. Kriptokromun işlevi türler arasında çeşitlilik gösterir, ancak radikal çiftlerin fotoindüksiyonu, mavi ışığa maruz bırakılarak gerçekleşir. Karanlıkta manyetoresepsiyon da mümkündür, bu nedenle manyetoresepsiyon mekanizmasında, ışıktan bağımsız oksidasyon sırasında üretilen radikal çiftlerinin rolü daha büyük olmalıdır.

Laboratuvardaki deneyler, radikal çift elektronların çok zayıf manyetik alanlardan önemli ölçüde etkilenebileceği temel teorisini desteklemektedir, yani yalnızca zayıf manyetik alanların yönü, radikal çiftinin reaktivitesini etkileyebilir ve bu nedenle kimyasal ürünlerin oluşumunu "katalize edebilir". Bu mekanizmanın manyetoresepsiyon ve/veya kuantum biyolojisi için geçerli olup olmadığı, yani dünyanın manyetik alanının radikal çiftlerin yardımıyla biyokimyasal ürünlerin oluşumunu "katalize edip etmediği" iki nedenden dolayı belirlenememiştir. Birincisi, radikal-çiftlerinin belki de dolanık olmasının gerekmemesidir. Dolanık ve dolanık olmayan radikal çiftleri mevcuttur. Bununla birlikte, araştırmacılar, Avrupalı kızılgerdanlar, hamamböcekleri ve bahçe ötleğenlerinin manyetik alanları ve radikal çift kimyasını engelleyen bir radyo frekansına maruz kaldıklarında artık yön değiştiremedikleri zaman, manyetoresepsiyon radikal çift mekanizmasına dair kanıtlar buldular. Dolanıklığın meseleye dahil olduğunu deneysel olarak önermek için, diğer radikal çiftlerini bozmadan dolaşık radikal çiftlerini bozabilecek bir deneyin (veya bunun tersi bir deneyin) tasarlanması gerekir, in vivo radikal-çiftlerine uygulanmadan önce bir laboratuvar ortamında gösterilmesi gerekir.