Secondo gli standard quantistici, i sistemi biologici sono ambienti piuttosto ostili:sono caldi e caotici e anche i loro componenti fondamentali, come le cellule, sono considerati molto grandi.

Ma un gruppo di ricercatori teorici e sperimentali ha scoperto un effetto decisamente quantistico in biologia che sopravvive a queste difficili condizioni e potrebbe anche rappresentare un modo per il cervello di proteggersi da malattie degenerative come l'Alzheimer.

Il risultato, pubblicato su The Journal of Physical Chemistry B non è solo un'importante scoperta per le neuroscienze, ma suggerisce anche nuove applicazioni di tecniche per i ricercatori di informatica quantistica e rappresenta un nuovo modo di pensare al rapporto tra la vita e la meccanica quantistica.

"Credo che il nostro lavoro rappresenti un salto di qualità per la biologia quantistica, portandoci oltre la fotosintesi e in altri regni di esplorazione:indagando le implicazioni per l'elaborazione delle informazioni quantistiche e scoprendo nuovi approcci terapeutici per malattie complesse", ha affermato Philip Kurian, Ph.D. , ricercatore principale e direttore fondatore del Laboratorio di Biologia Quantistica presso la Howard University di Washington, DC.

Superradianza di un singolo fotone

La stella dello studio è il triptofano:una molecola che è maggiormente associata alle cene a base di tacchino ma che si trova anche in molti contesti biologici. In quanto amminoacido, è un elemento fondamentale per le proteine ​​e per le strutture più grandi costituite da tali proteine, come ciglia, flagelli e centrioli.

Una singola molecola di triptofano mostra una proprietà quantistica abbastanza standard:può assorbire una particella di luce (chiamata fotone) a una certa frequenza ed emettere un altro fotone a una frequenza diversa. Questo processo è chiamato fluorescenza ed è molto spesso utilizzato negli studi per indagare le risposte delle proteine.

Ma lo studio ha scoperto che accade una cosa strana quando molte, molte molecole di triptofano sono disposte in una rete simmetrica, come se fossero in strutture più grandi come i centrioli:emettono una fluorescenza più forte e più veloce di quanto farebbero se emettessero fluorescenza in modo indipendente. Il comportamento collettivo è chiamato "superradianza" e avviene solo con singoli fotoni a causa della meccanica quantistica.

Questo risultato dimostra un effetto quantistico fondamentale in un luogo in cui generalmente non si prevede che gli effetti quantistici possano sopravvivere:un oggetto più grande in un ambiente caldo e "rumoroso".

"Questa pubblicazione è il frutto di un decennio di lavoro che considera queste reti come fattori chiave per importanti effetti quantistici a livello cellulare", ha affermato Kurian.

"È un risultato bellissimo", ha affermato il professor Majed Chergui dell'Istituto federale svizzero di tecnologia (EPFL) di Losanna, in Svizzera, che ha guidato il team sperimentale. "Ci è voluta un'applicazione molto precisa e attenta dei metodi standard di spettroscopia proteica, ma guidati dalle previsioni teoriche dei nostri collaboratori, siamo stati in grado di confermare una sorprendente firma di superradianza in un sistema biologico su scala micron."

Neuroni

Queste grandi reti di triptofano esistono nei neuroni, le cellule che compongono il sistema nervoso dei mammiferi. La presenza di superradianza quantistica nei fasci di neuroni simili a fibre ha due grandi potenziali implicazioni:la protezione contro le malattie degenerative e la trasmissione di segnali quantistici nel cervello.

Malattie degenerative del cervello come l'Alzheimer sono state associate a livelli elevati di stress ossidativo, quando il corpo trasporta un gran numero di radicali liberi, che possono emettere particelle di luce UV dannose e ad alta energia.

Il triptofano può assorbire questa luce ultravioletta e riemetterla a un'energia più bassa e più sicura. E, come ha scoperto questo studio, reti di triptofano molto grandi possono farlo in modo ancora più efficiente e robusto grazie ai loro potenti effetti quantistici.

"Questa fotoprotezione potrebbe rivelarsi cruciale nel migliorare o arrestare la progressione della malattia degenerativa", ha affermato Kurian. "Ci auguriamo che questo possa ispirare una serie di nuovi esperimenti per comprendere il ruolo della fotoprotezione potenziata dai quanti in patologie complesse che prosperano in condizioni altamente ossidative."

La seconda implicazione della superradianza nel cervello ha a che fare con il modo in cui i neuroni trasmettono i segnali. Il modello standard per la segnalazione neuronale prevede che gli ioni si muovano attraverso le membrane da un'estremità all'altra del neurone, in un processo chimico che richiede pochi millisecondi per ciascun segnale. Ma i ricercatori di neuroscienze solo di recente si sono resi conto che questa non può essere tutta la storia.

La superradianza nel cervello avviene in meno di un picosecondo:un miliardesimo di millisecondo. Queste reti di triptofano potrebbero funzionare come fibre ottiche quantistiche che consentono al cervello di elaborare le informazioni centinaia di milioni di volte più velocemente di quanto consentirebbero i soli processi chimici.

"Il gruppo Kurian e i suoi colleghi hanno arricchito la nostra comprensione dei flussi di informazioni in biologia a livello quantistico", ha affermato Michael Levin, direttore del Tufts Center for Regenerative and Developmental Biology, che non era associato al lavoro.

"Tali reti ottiche quantistiche sono diffuse, non solo nei sistemi neurali ma in generale in tutta la rete della vita. Le straordinarie proprietà di questa modalità di segnalazione ed elaborazione delle informazioni potrebbero essere estremamente rilevanti per la biologia evolutiva, fisica e computazionale."

Informazioni quantistiche

Il lato teorico di questo lavoro ha attirato l'attenzione dei ricercatori nel campo della tecnologia quantistica, perché la sopravvivenza di fragili effetti quantistici in un ambiente "disordinato" è di grande interesse per coloro che vogliono rendere più resiliente la tecnologia dell'informazione quantistica. Kurian afferma di aver avuto conversazioni con diversi ricercatori di tecnologia quantistica che sono rimasti sorpresi di trovare un simile collegamento nelle scienze biologiche.

"Questi nuovi risultati saranno di interesse per la vasta comunità di ricercatori nel campo dei sistemi quantistici aperti e del calcolo quantistico, perché i metodi teorici utilizzati in questo studio sono ampiamente utilizzati in questi campi per comprendere reti quantistiche complesse in ambienti rumorosi", ha affermato il professor Nicolò Defenu. dell'Istituto Federale di Tecnologia (ETH) di Zurigo in Svizzera, un ricercatore quantistico che non era associato al lavoro.

"È davvero intrigante vedere una connessione vitale tra il calcolo quantistico e i sistemi viventi."

Il lavoro ha attirato anche l'attenzione del fisico quantistico Marlan Scully, pioniere del laser nel campo dell'ottica quantistica e uno dei massimi esperti di superradianza.

"La superradianza di un singolo fotone promette di produrre nuovi strumenti per immagazzinare informazioni quantistiche, e questo lavoro ne mostra gli effetti in un contesto totalmente nuovo e diverso," ha detto Scully. "Esamineremo sicuramente da vicino le implicazioni degli effetti quantistici nei sistemi viventi negli anni a venire."