Zespół badawczy kierowany przez prof. Yossi Paltiela z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie wraz z grupami z HUJI, Weizmann i IST Austria ujawnia wpływ spinu jądrowego na procesy biologiczne. To odkrycie podważa długo utrzymywane założenia i otwiera ekscytujące możliwości rozwoju biotechnologii i biologii kwantowej.
Naukowcy od dawna uważają, że spin jądrowy nie ma wpływu na procesy biologiczne. Jednak ostatnie badania wykazały, że niektóre izotopy zachowują się inaczej ze względu na ich spin jądrowy. Zespół skupił się na stabilnych izotopach tlenu (16O, 17O, 18O) i odkrył, że spin jądrowy znacząco wpływa na dynamikę tlenu w środowiskach chiralnych, zwłaszcza na jego transport.
Odkrycia, opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), mają potencjalne implikacje dla kontrolowanej separacji izotopów i mogą zrewolucjonizować technologię jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR).
Profesor Yossi Paltiel, główny badacz, wyraził podekscytowanie znaczeniem tych odkryć. Stwierdził: „Nasze badania pokazują, że spin jądrowy odgrywa kluczową rolę w procesach biologicznych, co sugeruje, że manipulowanie nim może doprowadzić do przełomowych zastosowań w biotechnologii i biologii kwantowej. Może to potencjalnie zrewolucjonizować procesy frakcjonowania izotopów i odblokować nowe możliwości w dziedzinach takich jak NMR. “
Opowieść w szczegółach
Naukowcy badali „dziwne” zachowanie maleńkich cząstek w żywych organizmach, finansując niektóre miejsca, w których efekty kwantowe zmieniają procesy biologiczne. Na przykład badanie efektów kwantowych nawigacji ptaków może pomóc niektórym ptakom odnaleźć drogę podczas długich podróży. Na efektywne wykorzystanie energii słonecznej w roślinach wpływają efekty kwantowe.
Ten związek między maleńkim światem cząstek i żywych istot prawdopodobnie sięga miliardów lat wstecz, kiedy zaczęło się życie i pojawiły się cząsteczki o specjalnym kształcie zwanym chiralnością. Chiralność jest ważna, ponieważ tylko cząsteczki o odpowiednim kształcie mogą wykonywać zadania, których potrzebują w żywych organizmach.
Związek między mechaniką kwantową chiralności został znaleziony w „spinie”, który jest jak maleńka właściwość magnetyczna. Cząsteczki chiralne mogą oddziaływać z cząstkami w różny sposób w zależności od ich spinu, tworząc coś, co nazywa się chiralną selektywnością spinową (CISS).
Naukowcy odkryli, że spin wpływa na małe cząsteczki, takie jak elektrony, w procesach życiowych z udziałem cząsteczek chiralnych. Chcieli sprawdzić, czy spin wpływa również na większe cząstki, takie jak jony i cząsteczki, które stanowią bazę dla transportu biologicznego. Przeprowadzili więc eksperymenty z cząsteczkami wody, które mają różne spiny. Wyniki pokazały, że spin wpływa na zachowanie wody w komórkach, wchodząc z różnymi prędkościami i reagując w wyjątkowy sposób, gdy zaangażowane są cząsteczki chiralne.
Badanie to podkreśla znaczenie spinu w procesach życiowych. Zrozumienie i kontrolowanie wirowania może mieć duży wpływ na sposób działania żywych organizmów. Może również pomóc w ulepszeniu obrazowania medycznego i stworzeniu nowych sposobów leczenia chorób.
Badania były wspólnym wysiłkiem naukowców z różnych instytucji, w tym Instytutu Nauk o Ziemi i Nauk Przyrodniczych w języku hebrajskim oraz Instytutu Weizmanna, z badaniem prowadzonym przez Wydział Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Hebrajskiego.
Finansowanie: NMS dziękuje za wsparcie Ministerstwa Energii Izraela w ramach programu stypendialnego dla doktorantów kierunków energetycznych. ML dziękuje za wsparcie przyznane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC) Starting Grant nr 801770 (ANGULON).
W skład zespołu wchodzą: Yossi Paltiel, Ofek Vardi, Yuval Kolodny, Stav Ferrera, Naama Maroudas-Sklare, Nir Yuran, Shira Yochelis. Wydział Fizyki Stosowanej, Uniwersytet Hebrajski w Jerozolimie; Nir Keren, Silberman Institute of Life Sciences, Uniwersytet Hebrajski w Jerozolimie; Artem Volosniev, Areg Ghazarya, Mikhail Lemeshko, IST Austria, Amijai Saragovi, Szkoła Medyczna Uniwersytetu Hebrajskiego; Nir Galili, Itay Halevye, Instytut Nauki Weizmanna; Instytut Nauk o Ziemi, Uniwersytet Hebrajski w Jerozolimie.