Kvantesammenfiltring holder DNA sammen, siger fysikere

Der var en tid, for ikke så længe siden, hvor biologer svor sort og blåt, at kvantemekanik ikke kunne spille nogen rolle i livets varme, våde systemer.

Siden da er disciplinen kvantebiologi dukket op som et af de mest spændende nye områder inden for videnskab. Det begynder at se ud som om kvanteeffekter er afgørende i en række biologiske processer, såsom fotosyntese og fuglenavigation, som vi har set på her og her .

Nu siger en gruppe fysikere, at kvantemekanikkens mærkelige love kan være vigtigere for livet, end biologer nogensinde kunne have forestillet sig. Deres nye idé er, at DNA holdes sammen af ​​kvanteforviklinger.

Det er værd at skille fra hinanden mere detaljeret. Entanglement er den mærkelige kvanteproces, hvor en enkelt bølgefunktion beskriver to separate objekter. Når dette sker, deler disse objekter faktisk den samme eksistens, uanset hvor langt fra hinanden de måtte være.

Spørgsmålet, som Elisabeth Rieper ved National University of Singapore og et par venner har stillet, er, hvilken rolle forviklinger kan spille i DNA. For at finde ud af det har de konstrueret en forenklet teoretisk model af DNA, hvor hvert nukleotid består af en sky af elektroner omkring en central positiv kerne. Denne negative sky kan bevæge sig i forhold til kernen og skabe en dipol. Og skyens bevægelse frem og tilbage er en harmonisk oscillator.

Når nukleotiderne binder til en base, skal disse skyer oscillere i modsatte retninger for at sikre strukturens stabilitet.

Rieper og co spørger, hvad der sker med disse svingninger, eller fononer, som fysikere kalder dem, når baseparrene er stablet i en dobbelt helix.

Fononer er kvanteobjekter, hvilket betyder, at de kan eksistere i en superposition af tilstande og blive viklet sammen, ligesom andre kvanteobjekter.

Til at starte med forestiller Rieper og co sig helixen uden påvirkning fra udefrakommende varme. Det er klart, at kæden af ​​koblede harmoniske oscillatorer er viklet ind ved nul temperatur, siger de. De viser derefter, at sammenfiltringen også kan eksistere ved stuetemperatur.

Det er muligt, fordi fononer har en bølgelængde, der svarer i størrelse til en DNA-spiral, og dette tillader stående bølger at danne, et fænomen kendt som fononfangst. Når dette sker, kan fononerne ikke let undslippe. En lignende form for fononindfangning er kendt for at forårsage problemer i siliciumstrukturer af samme størrelse.

Det ville have ringe betydning, hvis det ikke havde nogen samlet effekt på helixen. Men modellen udviklet af Rieper og co antyder, at effekten er dyb.

Selvom hvert nukleotid i et basepar oscillerer i modsatte retninger, sker dette som en superposition af tilstande, således at den samlede bevægelse af helixen er nul. I en rent klassisk model kan dette dog ikke ske, i hvilket tilfælde helixen ville vibrere og ryste sig selv fra hinanden.

Så i denne forstand er disse kvanteeffekter ansvarlige for at holde DNA sammen.

Spørgsmålet er selvfølgelig, hvordan man beviser dette. De siger, at et bevis er, at en rent klassisk analyse af den energi, der kræves for at holde DNA sammen, ikke stemmer overens. Deres kvantemodel lukker dog hullet. Det er interessant, men de bliver nødt til at finde på noget eksperimentelt overbevisende for at overbevise biologer om disse ideer.

Et fristende forslag i slutningen af ​​deres papir er, at sammenfiltringen kan have indflydelse på den måde, information aflæses fra en DNA-streng, og at det kan være muligt at udnytte dette eksperimentelt. Lige hvordan, siger de ikke.

Spekulativt, men potentielt eksplosivt arbejde.

Ref: arxiv.org/abs/1006.4053 : Relevansen af ​​kontinuerlig variabel sammenfiltring i DNA

skjule