Duitse en Israëlische wetenschappers onderzoeken de rol van kwantumspineffecten bij energieoverdracht

Kwantumfysische verschijnselen manifesteren zich op actieve wijze in diverse biologische processen, met name daar waar lichtabsorptie en de overdracht van energie centraal staan. In een ambitieus interdisciplinair samenwerkingsverband hebben wetenschappers van de Universiteit van Münster, de Universiteit van Ulm en de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem hun expertise gebundeld. Hun gezamenlijke inspanningen zijn gericht op het ontrafelen van de wijze waarop deze kwantumeffecten de beweging van elektronen binnen levende systemen nauwkeurig moduleren. Dit grensverleggende onderzoeksproject, dat de titel "Quantum spin effects at the heart of energy bioprocesses" draagt, kan rekenen op substantiële financiële ondersteuning. De Volkswagen Foundation heeft via het programma "NEXT — Quantum Biology" een bedrag van ruim twee miljoen euro toegekend om dit fundamentele onderzoek mogelijk te maken.

Professor Martin Plenio benadrukt dat fundamentele biologische mechanismen, waaronder het proces van fotosynthese, plaatsvinden met een efficiëntie en snelheid die simpelweg niet te verklaren zijn met de traditionele wetten van de klassieke natuurkunde alleen. De interdisciplinaire onderzoeksgroep heeft als hoofddoel de exacte invloed van de kwantumfysica te identificeren bij het optimaliseren en versnellen van deze cruciale levensprocessen. Een sleutelrol in dit onderzoek is weggelegd voor de spin van het elektron, oftewel het intrinsieke impulsmoment dat een magnetisch moment opwekt. Dit magnetische aspect is in staat om de snelheid waarmee een elektron zich door een biologisch systeem beweegt, op significante wijze te beïnvloeden en te sturen.

De intensiteit van deze magnetische interacties is onlosmakelijk verbonden met de specifieke ruimtelijke configuratie van biomoleculen, waarbij vooral hun chiraliteit — ook wel bekend als "handigheid" — een doorslaggevende rol speelt. Chirale moleculen bezitten de unieke eigenschap om als een soort spinfilter te fungeren. Hierdoor ondervinden elektronen, afhankelijk van hun specifieke spin-oriëntatie, een verschillende mate van weerstand bij het passeren van deze moleculen. Dit fenomeen wordt in de wetenschappelijke wereld aangeduid als het effect van Chiraal-Geïnduceerde Spin-Selectiviteit (CISS). Het bestaan van dit effect legt een rechtstreekse verbinding tussen de chirale symmetrie van moleculen en de elektronenspin, wat verstrekkende implicaties heeft voor ons begrip van de homochirale structuur van het leven.

Eerdere wetenschappelijke verkenningen naar het CISS-effect hebben reeds de relevantie ervan aangetoond binnen de spintronica en voor een verbeterd inzicht in spin-selectieve mechanismen binnen de biologie. Onderzoekers van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem hebben in eerdere stadia al vastgesteld dat de spin van elektronen een directe invloed uitoefent op de overdracht van protonen binnen chirale omgevingen. Dit proces wordt in verband gebracht met de excitatie van zogenaamde chirale fononen, die de verplaatsing van protonen versnellen. Aangezien protonenoverdracht een hoeksteen is van de cellulaire bio-energetica, is deze ontdekking van cruciaal belang. Het verschuift de wetenschappelijke kijk op protonenoverdracht van een louter chemische reactie naar een complex kwantummechanisch proces, wat nieuwe deuren opent voor de biologie.