Hur kvantfysik är på väg att revolutionera biokemin

En av de märkliga konsekvenserna av kvantmekaniken är fenomenet omöjlighet att särskilja – att två kvantpartiklar kan vara omöjliga att skilja åt, även i princip. Detta händer delvis eftersom det är omöjligt att bestämma den exakta positionen för kvantpartiklar. Så när två partiklar interagerar på samma plats, finns det inget sätt att veta vilken som är vilken.

Det ger upphov till ett visst exotiskt beteende, särskilt vid låga temperaturer när ett stort antal partiklar kan bete sig på samma sätt. Osärskiljbarheten hos fotoner gör lasrar möjliga, omöjligheten av helium-4 kärnor vid låg temperatur leder till superfluiditet och omöjligheten att särskilja andra kärnor som rubidium leder till Bose-Einstein kondensat. Osärskiljbarheten är rik på mystiska fenomen.

Men vissa kvantpartiklar går inte att särskilja på detta sätt. Elektroner, till exempel, är förbjudna att dela samma stat enligt en lag som kallas Pauli-uteslutningsprincipen. Och det leder till en annan typ av fysik. Interaktionen mellan elektroner, styrd av denna Pauli-uteslutningsprincip, kallas kemi och den är lika rik på exotiskt beteende.

Världarna av kemi och oskiljbar fysik har länge ansetts vara helt separata. Osärskiljbarhet uppstår vanligtvis vid låga temperaturer medan kemi kräver relativt höga temperaturer där föremål tenderar att förlora sina kvantegenskaper. Som ett resultat har kemister länge känt sig säkra på att ignorera effekterna av kvantomöjlighet.

Idag säger Matthew Fisher och Leo Radzihovsky vid University of California, Santa Barbara, att detta förtroende är felplacerat. De visar för första gången att kvantomöjlighet måste spela en betydande roll i vissa kemiska processer även vid vanliga temperaturer. Och de säger att detta inflytande leder till ett helt nytt kemiskt fenomen, såsom isotopseparation och kan också förklara ett tidigare mystiskt fenomen som den ökade kemiska aktiviteten hos reaktiva syrearter.

Relaterad berättelse

Relaterad berättelse Forskare i Kina har teleporterat en foton från marken till en satellit som kretsar mer än 500 kilometer ovanför.

Kort sagt, Fisher och Radzihovsky vänder kemin på huvudet.

Nyckelfrågan bakom detta nytänkande är om kvantegenskaper verkligen kan ignoreras i de flesta kemiska reaktioner. Fisher och Radzihovsky säger att även om det generellt sett kan vara sant att kvantegenskaper går förlorade vid höga temperaturer, består vissa kvantfenomen.

De pekar särskilt på atomkärnors kvantkoherens. Fysiker har länge vetat att kärnornas spinn kan förbli sammanhängande över tidsskalor på minuter eller timmar. De utnyttjar faktiskt detta fenomen i ett brett utbud av kvantberäkningsexperiment som förlitar sig på kärnspinn för att lagra kvantinformation.

Det är lätt att tro att kärnsnurr inte har någon signifikant effekt på hur elektroner interagerar med varandra i kemiska reaktioner.

Men så är inte fallet, säger Fisher och Radzihovsky. Kärnspinn kan lätt kopplas till andra fysiska tillstånd, till exempel hur en molekyl vibrerar. När detta händer läcker egenskaperna av oskiljbarhet som normalt är begränsade till kärnor ut och påverkar molekylen som helhet.

Fisher och Radzihovsky säger att detta har en särskilt stark effekt på små symmetriska molekyler, som vatten eller väte. Anledningen är att när snurrarna hos två kärnor interagerar, så dikterar symmetri att de kan anta vissa konfigurationer men inte andra.

När den symmetrin läcker in i den kemiska världen betyder det att molekylen endast kan interagera i situationer med liknande spinnsymmetri.

Till exempel innehåller en väte- eller vattenmolekyl två vätekärnor som antingen kan snurra i samma riktning, i vilket fall molekylen är känd som orto-vatten, eller i motsatta riktningar i vilket fall molekylen är känd som para-vatten. Dessa olika arrangemang av samma molekyl är kända som spin-isomerer.

Det har konsekvenser för hur molekyler interagerar med varandra. I många kemiska reaktioner är hur molekyler låser sig viktigt. Om molekylerna inte kan passa ihop som en nyckel i ett lås, kan reaktionen inte ske.

Relaterad berättelse

Relaterad berättelse Sökjätten planerar att nå en milstolpe i datorhistoriken innan året är slut.

Fisher och Radzihovsky visar att kvantomöjligheten påverkar hur molekyler passar ihop eftersom det förhindrar interaktioner som inte matchar symmetrin hos kärnorna.

Forskarna fortsätter med att visa att denna effekt gör att paramolekyler är betydligt mer reaktiva än ortomolekyler, eftersom deras symmetri matchar den hos ett bredare spektrum av andra molekyler.

Ett område där detta kan spela en viktig roll är enzymatisk katalys. Många enzymer är beroende av väte för att göra sitt arbete. Nu visar Fisher och Radzihovsky att kvantomöjlighet måste ha ett betydande inflytande på denna process.

Att testa denna förutsägelse kommer att vara knepigt. Det uppenbara sättet är att mäta resultatet av samma reaktion utförd med orto- och para-versioner av molekylerna. Men det här är lättare sagt än gjort. Orto- och para-versioner av samma molekyl är svåra att separera. Kemister uppnådde det för vatten för första gången först 2014.

Det kemiska beteendet hos vatten och väte är bara början. Fisher och Radzihovsky ger åtskilliga exempel på andra kemiska processer som också borde påverkas av kvantomöjlighet. Dessa inkluderar isotopfraktionering för vilken kvantomöjlighet ger en ny mekanism, fenomenet förklarar också den ökade kemiska aktiviteten hos reaktiva syrearter och ger ett sätt för kärnornas spinn att påverka biokemiska molekyler i allmänhet.

Det finns en rik mängd exotiskt beteende att studera här. Att testa dessa idéer kommer att vara svårt men belöningarna – en bättre förståelse för några av kemins mest subtila och viktiga biologiska fenomen – kommer att ge betydande motivation. Räkna med att höra mer.

Ref: arxiv.org/abs/1707.05320 : Kvantumöjlighet i kemiska reaktioner

Dölj