Quantenbiologie im Fokus: Deutsch-israelische Forscher untersuchen Spin-Effekte beim Energietransfer

In der modernen Biowissenschaft rücken quantenphysikalische Phänomene immer stärker in den Fokus, insbesondere wenn es um die Absorption von Licht und den hocheffizienten Energietransfer in lebenden Organismen geht. Ein interdisziplinäres Forscherteam der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, der Universität Ulm sowie der Hebräischen Universität Jerusalem hat es sich zur Aufgabe gemacht, die präzise Steuerung der Elektronenbewegung durch diese Quanteneffekte zu entschlüsseln. Das ambitionierte Forschungsvorhaben mit dem Titel „Quantum spin effects at the basis of energy bioprocesses“ wird von der renommierten VolkswagenStiftung im Rahmen der Förderinitiative „NEXT — Quantum Biology“ mit einer Summe von über zwei Millionen Euro unterstützt.

Professor Martin Plenio betont in diesem Zusammenhang, dass fundamentale biologische Abläufe, wie etwa die Photosynthese, mit einer derart hohen Geschwindigkeit und Effizienz ablaufen, dass sie allein mit den Gesetzen der klassischen Physik nicht hinreichend erklärt werden können. Die Wissenschaftler streben danach, die exakte Funktion der Quantenphysik bei der Optimierung und Beschleunigung dieser lebensnotwendigen Prozesse zu identifizieren. Ein zentraler Aspekt dieser Untersuchung ist der Elektronenspin – der interne Drehimpuls des Elektrons, der ein magnetisches Moment erzeugt und somit maßgeblich die Bewegungsgeschwindigkeit der Teilchen beeinflussen kann.

Die Intensität dieser magnetischen Wechselwirkungen ist dabei untrennbar mit der räumlichen Anordnung der Biomoleküle verbunden, speziell mit ihrer Chiralität oder „Händigkeit“. Chiralität beschreibt Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten, aber nicht zur Deckung gebracht werden können. Solche chiralen Moleküle fungieren in biologischen Systemen als eine Art Spinfilter, der Elektronen je nach ihrer Spin-Orientierung unterschiedlich leicht passieren lässt. Dieses Phänomen wird in der Fachwelt als chiralitätsinduzierte Spinselektivität (CISS) bezeichnet und stellt eine direkte Verbindung zwischen der chiralen Symmetrie der Natur und dem Elektronenspin her, was weitreichende Konsequenzen für das Verständnis der homochiralen Basis des Lebens hat.

Frühere Untersuchungen zum CISS-Effekt haben bereits dessen Relevanz für die Spintronik sowie für ein tieferes Verständnis spinselektiver Prozesse in der Biologie aufgezeigt. Forscher der Hebräischen Universität Jerusalem konnten zudem belegen, dass der Elektronenspin den Protonentransfer in chiralen Umgebungen beeinflusst. Dieser Prozess wird durch die Anregung chiraler Phononen begünstigt, was wiederum die Bewegung von Protonen beschleunigt – ein Vorgang, der für die zelluläre Bioenergetik von entscheidender Bedeutung ist. Durch diese bahnbrechende Entdeckung rückt der Protonentransfer von einer rein chemischen Betrachtungsweise in das Feld der komplexen Quantenprozesse.

Die Zusammenarbeit zwischen den deutschen und israelischen Instituten markiert einen Meilenstein in der Erforschung der Quantenbiologie. Durch die Kombination von theoretischer Physik und experimenteller Biologie erhoffen sich die Experten, neue technologische Anwendungen zu erschließen, die sich die Effizienz der Natur zum Vorbild nehmen. Die finanzielle Förderung durch die VolkswagenStiftung unterstreicht die globale Bedeutung dieses Forschungsfeldes, das das Potenzial hat, unser Verständnis von Energieumwandlungsprozessen auf molekularer Ebene grundlegend zu revolutionieren.