Des chercheurs allemands et israéliens explorent le rôle des effets de spin quantique dans le transfert d'énergie

Les phénomènes relevant de la physique quantique ne se limitent plus aux laboratoires de physique théorique. Ils se manifestent désormais de manière éclatante au cœur même des processus biologiques fondamentaux, notamment ceux régissant l'absorption lumineuse et le transfert d'énergie au sein des systèmes vivants.

Une collaboration scientifique internationale, regroupant des experts de l'Université de Münster, de l'Université d'Ulm et de l'Université hébraïque de Jérusalem, s'est donné pour mission de décrypter ces mécanismes complexes. Intitulée « Les effets de spin quantique au cœur des bioprocessus énergétiques », cette initiative a reçu une dotation financière substantielle dépassant les deux millions d'euros de la part de la Fondation Volkswagen, via son programme « NEXT — Biologie Quantique ».

Selon les observations du professeur Martin Plenio, les fonctions biologiques essentielles, telles que la photosynthèse, atteignent des niveaux d'efficacité et de rapidité surprenants. Ces performances sont impossibles à justifier de manière satisfaisante en s'appuyant uniquement sur les lois de la physique classique ou les théories conventionnelles qui peinent à expliquer une telle célérité.

L'objectif principal de ce consortium interdisciplinaire est de lever le voile sur la contribution exacte de la mécanique quantique dans l'optimisation et l'accélération de ces mécanismes vitaux. Au centre de leurs investigations se trouve le spin de l'électron, un moment cinétique interne qui génère un moment magnétique capable d'influencer la dynamique de transport des électrons à travers les structures biologiques complexes.

L'un des aspects les plus fascinants de cette recherche réside dans la dépendance des interactions magnétiques vis-à-vis de l'architecture spatiale des biomolécules, un concept connu sous le nom de chiralité ou « asymétrie moléculaire ». Les molécules chirales agissent comme de véritables filtres directionnels pour le spin des électrons, facilitant ou entravant leur passage selon leur configuration.

Ce mécanisme, désigné sous le terme de sélectivité de spin induite par la chiralité (CISS), permet à certains électrons de circuler plus librement selon leur orientation magnétique spécifique. Cette découverte établit un lien direct entre la symétrie chirale et le spin, ce qui a des conséquences profondes pour notre compréhension de la nature homochirale de la vie et de son évolution.

Les implications de l'effet CISS touchent également le secteur technologique de la spintronique et la compréhension des processus biologiques sélectifs en général. Les chercheurs de l'Université hébraïque de Jérusalem ont précédemment établi un lien crucial montrant que le spin électronique influence directement le transfert de protons au sein des environnements chiraux.

Ce processus est facilité par l'activation de phonons chiraux, des vibrations atomiques spécifiques qui boostent la mobilité des protons, piliers de la bioénergétique au niveau cellulaire. Cette avancée majeure redéfinit le transfert de protons comme un phénomène quantique sophistiqué, ouvrant de nouvelles perspectives pour la biologie moléculaire et l'étude approfondie de la dynamique cellulaire.