Gli organismi fotosintetici raccolgono la luce dal sole per produrre l'energia di cui hanno bisogno per sopravvivere. Un nuovo articolo pubblicato dai ricercatori dell'Università di Chicago rivela il loro segreto:sfruttare la meccanica quantistica.

"Prima di questo studio, la comunità scientifica ha visto le firme quantistiche generate nei sistemi biologici e ha posto la domanda, se questi risultati fossero solo una conseguenza della biologia costruita da molecole, o avevano uno scopo?" disse Greg Engel, Professore di Chimica e autore senior dello studio. "Questa è la prima volta che vediamo la biologia sfruttare attivamente gli effetti quantistici".

Gli scienziati hanno studiato un tipo di microrganismo chiamato batteri solforati verdi. Questi batteri hanno bisogno di luce per sopravvivere, ma anche piccole quantità di ossigeno possono danneggiare la loro delicata attrezzatura fotosintetica. Quindi devono sviluppare modi per ridurre al minimo il danno quando il batterio incontra l'ossigeno.

Per studiare questo processo, i ricercatori hanno monitorato il movimento dell'energia attraverso una proteina fotosintetica in condizioni diverse, con ossigeno intorno, e senza.

Hanno scoperto che il batterio utilizza un effetto meccanico quantistico chiamato miscelazione vibronica per spostare l'energia tra due percorsi diversi, a seconda che ci sia o meno ossigeno intorno. La miscelazione vibrazionale coinvolge le caratteristiche vibrazionali ed elettroniche nelle molecole che si accoppiano tra loro. In sostanza, le vibrazioni si mescolano così completamente con gli stati elettronici che le loro identità diventano inseparabili. Questo batterio utilizza questo fenomeno per guidare l'energia dove ne ha bisogno per andare.

Se non c'è ossigeno in giro e il batterio è al sicuro, il batterio utilizza la miscelazione vibronica abbinando la differenza di energia tra due stati elettronici in un assemblaggio di molecole e proteine ​​chiamato complesso FMO, con l'energia della vibrazione di una molecola di batterioclorofilla. Questo incoraggia l'energia a fluire attraverso il percorso "normale" verso il centro di reazione fotosintetica, che è pieno di clorofilla.

Ma se c'è ossigeno intorno, l'organismo si è evoluto per dirigere l'energia attraverso un percorso meno diretto dove può essere estinta. (Estinguere l'energia è simile a mettere un palmo su una corda di chitarra vibrante per dissipare l'energia.) In questo modo, il batterio perde un po' di energia ma salva l'intero sistema.

Per ottenere questo effetto, una coppia di residui di cisteina nel complesso fotosintetico funge da innesco:ciascuno reagisce con l'ossigeno nell'ambiente perdendo un protone, che interrompe la miscelazione vibrazionale. Ciò significa che l'energia ora si muove preferenzialmente attraverso il percorso alternativo, dove può essere spento in sicurezza. Questo principio è un po' come bloccare due corsie su un'autostrada e deviare il traffico su strade locali dove ci sono molte più uscite.

"La cosa interessante di questo risultato è che stiamo vedendo la proteina attivare e disattivare l'accoppiamento vibronico in risposta ai cambiamenti ambientali nella cellula, "ha detto Jake Higgins, uno studente laureato presso il Dipartimento di Chimica e l'autore principale del documento. "La proteina utilizza l'effetto quantico per proteggere l'organismo dal danno ossidativo".

Questi risultati portano a una nuova ed entusiasmante rivelazione sulla biologia; l'utilizzo di un meccanismo esplicitamente quantistico per proteggere il sistema mostra un adattamento importante e che gli effetti quantistici possono essere importanti per la sopravvivenza.

Questo fenomeno probabilmente non è limitato ai batteri solforati verdi, hanno detto gli scienziati. Come ha spiegato Higgins, "La semplicità del meccanismo suggerisce che potrebbe essere trovato in altri organismi fotosintetici in tutto il panorama evolutivo. Se più organismi sono in grado di modulare dinamicamente gli accoppiamenti quantomeccanici nelle loro molecole per produrre cambiamenti più grandi nella fisiologia, potrebbe esserci una serie completamente nuova di effetti selezionati dalla natura di cui non siamo ancora a conoscenza."