ביולוגיה קוונטית

ביולוגיה קוונטית

בשנת 2000 מקס טגמרק כתב מאמר שכותרתו, “החשיבות של הדה-קוהרנטיות הקוונטית לתהליכי המוח”, שבו הוא לא מסכים עם רוג’ר פנרוז שטוען בספרו המפורסם The emprors new mind, שהמוח פועל כמו מחשב קוונטי.

Max Tegmark, ‘The Importance of Quantum Decoherence in Brain Processes,’ Phys. Rev. E 61 (2000) 4194-4206.

המגזין הפופולארי דיסקבר יצא לפני שלושה ימים במאמר שכותרתו: “האם מכניקת הקוונטים שולטת במחשבתכם?”

Is Quantum Mechanics Controlling Your Thoughts?

Science’s weirdest realm may be responsible for photosynthesis, our sense of smell, and even consciousness itself.

by Mark Anderson

published online January 13, 2009

במאמר נכתב:

Remarkably, photosynthesis appears to derive its ferocious efficiency not from the familiar physical laws that govern the visible world but from the seemingly exotic rules of quantum mechanics, the physics of the subatomic world. Somehow, in every green plant or photosynthetic bacterium, the two disparate realms of physics not only meet but mesh harmoniously. Welcome to the strange new world of quantum biology.

ישנן תופעות ביולוגיות רבות שלא ניתן להסביר על ידי המודלים העכשוויים הביוכימיים והקלאסיים שנהוג להשתמש בהם כאשר רוצים לתאר כיצד אורגניזמים חיים מתפקדים. הגיעו למסקנה שהדרך שבה נהוג להסביר מערכות ביולוגיות ואורגניזמים חיים היא לוקה בחסר ולא לגמרי מספקת ודרושה גישה יותר כוללת. לכן התחילו לפנות להסברים מהפיזיקה הקוונטית כדי למלא את החסר, היכן שההסבר הביוכימי הקלאסי לוקה בחסר. הפיזיקה הקוונטית כזכור עוסקת באפקטים כמו סופרפוזיציה, קוהרנטיות ודה-קוהרנטיות, entanglement, אי ודאות, רעש קוונטי, מנהור, תקשורת על-אורית וכולי. אלה הם האספקטים שבהם עסקו רוג’ר פנרוז ומקס טגמרק.

לעומת זאת ישנם האספקטים של מכניקת הקוונטים שדנים בקרינה. כמוכן, מכניקת הקוונטים מספקת הסבר לצורת המולקולאריות שהכרחיות לשכפול הדנ”א של חומצות הגרעין ולסוגי חלבונים, עקרון האיסור של פאולי מבטיח שלאטומים ומולקולות יהיו גדלים מוגדרים וכתוצאה הוא קובע לא רק את השכפול, אלא גם את קצבי הדיפוזיה המשתנים, תכונות הממברנה ותפקודים רבים ביולוגיים חשובים אחרים. מכניקת הקוונטים גם מסבירה את עוצמות הקשרים המולקולאריים שמחזיקים את מיכון החיים יחד ומאפשרים מטבוליזם. דוגמאות אלה קובעות את המבנה והתכונות הכימיות-הביוכימיות. במובן זה כאשר ביולוגים הבינו את החשיבות של תופעות כאלה ברמות סקאלת הננו למחקרם, מכניקת הקוונטים עלתה באופן טבעי כדיספלינת מחקר.  

אם כך, מהי ביולוגיה קוונטית? זהו תחום שחוקר את התהליכים ברמה המולקולארית והאטומית של התפקוד הביולוגי; המחקר המדעי של תהליכים ביולוגיים במונחים של מכניקת הקוונטים תוך שמשתמשים במחשבים מאוד חזקים – מחשבי על – כדי למדל את התהליכים הביולוגיים ברמה האטומית והמולקולארית. משתמשים במחשבים רבי העוצמה כדי למדל את האינטראקציות בין האטומים והמולקולות במערכות ביולוגיות וכך באופן זה לחשוף את המכניזמים שמאחורי הריאקציות הביולוגיות החשובות. מקווים שתהליך זה יוביל ליישומים כגון, פיתוח “ננו-מתגים” ולמגוון יישומים עד לנשיאת תרופות, גנומיקה, חקירת המבנה והתפקוד של חלבונים ועד יצור חיישנים. בביולוגיה קוונטית ממדלים תהליכים ביולוגיים מורכבים, כאשר העיקרון הוא שימוש במכניקת הקוונטים.

תהליכים ביולוגיים יסודיים שקשורים בהמרה של אנרגיה לצורות שניתן להשתמש בהן להתמרות (טרנספורמציות) כימיות הם קוונטיים מכניים בטבעם. תהליכים אלה קשורים בריאקציות כימיות עצמן, בבליעת אור, ביצירת מצבים אלקטרוניים מעוררים, במעבר אנרגיה מעוררת, במעבר של אלקטרונים ופרוטונים וכדומה. בצורה זו תהליכים ביולוגים מקבלים הסבר תוך שימוש במכניקת הקוונטים שעוסקת בקרינה. כלומר, תהליכים ביולוגיים חשובים רבים שמתרחשים בתאים מונעים ונשלטים על ידי אירועים שקשורים בדרגות חופש אלקטרוניות. לכן משום כך דרוש התיאור שלקוח ממכניקת הקוואנטים.

דוגמא חשובה היא אירועי מפתח במהלך פוטוסינתזה בצמחים ומטבוליזם אנרגטי באאוקריוטים שמצדיקים תיאור קוונטי מכני – החל מבליעת האור בצורת פוטונים על ידי הרכיב הפוטוסינתתי ועד לתהליכי הטרנספר של האלקטרונים שמקיימים את היכולת האלקטרוכימית של הממברנה. בגלל החשיבות של מגע האור עם צמחים (לשם ויסות תפקוד חיוני) וגם עם חיות (לראיה), האינטראקציה שבין האור לפוטו-קולטנים ביולוגיים היא נפוצה בטבע. והיא גם דורשת תיאור קוונטי מכני. לדוגמא, חלבון הרודופסין שקיים ברשתית העין האנושית ולו תפקיד מפתח בראיה. תוך שימוש בסימולציות קוונטיות מכניות-מולקולאריות ניתן לשלב תיאור ברמה האלקטרונית של האזור הפעיל עם מודל קלאסי ביומולקולארי של המערכת. זה מאפשר לחקור את התהליכים ברמה האלקטרונית בסביבתם התאית הטבעית.

מייסדי מכניקת הקוונטים נילס בוהר וארווין שרדינגר חשבו על יישום מכניקת הקוונטים למערכות ביולוגיות. בוהר ב-1933 האמין שההבחנה בין מערכות חיות ללא חיות היא יסודית ולמעשה היא ביטוי לעקרון הקומפלמנטריות. שרדינגר כתב ספר מהם החיים? ב-1944 הוא פנה לרעיונות קוונטיים ואמר, “במקרה זה, הדבר מסופק על ידי תורת הקוונטים. לאור הידע הנוכחי, המכניזם של התורשה קשור במידה קרובה, אם לא נוסד על הבסיס עצמו של תורת הקוונטים”. שרדינגר גם הביע את הספקולציה לפיה אפקטים קוונטיים יובילו להתנהגות חדשה רדיקלית שתבדיל את החי מהלא חי. “עלינו להיות מוכנים למצוא סוג חדש של חוק פיזיקאלי נפוץ בתוך זה”.

Bohr, N., “Light and Life”, Nature, Volume 131, Issue 3309, pp. 457-459 (1933).

 

כך התחילו לחשוב על תהליכים קוונטיים בגוף האדם, כולל תהליכים שיכלו להסביר אספקטים בפיזיולוגיה שמזה זמן רב העסיקו את הביולוגים. אחת התופעות שנחקרו לראשונה הייתה פליטות האור מתאים בגוף, או ביו-פוטונים. פרופ’ פריץ-אלברט פופ Fritz-Albert Popp, שהיה סגן נשיא המכון הבינלאומי לביופיזיקה היה חלוץ במחקר הביופוטוני.

ב-1976 פופ ועמיתים פיתחו ציוד ניסויי מאוד רגיש שיכל למדוד את הפליטות של האור המאוד חלושות בטווח של בין 400 ל-800 ננומטר בתאים האנושים. הם אז הגו את המושג “ביו-פוטונים” כדי לבטא את המקור הביולוגי והאופי הקוונטי של הקרינה הזו. מאז הגילוי הזה, פורסמה עדות ניסויית חיובית והיא הראתה שהדנ”א הוא אחד המקורות לביו-פוטונים, ושישנו מבנה לשדה הביופוטוני. בנוסף, ישנה עדות שתומכת ברעיון שביו-פוטונים אחראים לעירור כמה ריאקציות ביוכימיות בתוך התאים וביניהם.

Popp F. A., et al., (1984): Biophoton emission – New evidence, Biophysics , 6 (1): 33-52. 

 Popp F. A., and Zhang, J. Z., (2000), “Mechanism of interaction between electromagnetic fields and living organisms,” Science in China (Series C – Life Sciences), 43 (5): 507-518.

סיריל וו. סמיט Cyril W. Smith מהנדס ביו-רפואי ופיזיקאי בריטי, ביצע ניסוים בתחום זה בתחילת שנות השבעים. הוא פיתח טכניקות הנדסיות ומאז 1973 הוא הוביל מחקרים על האינטראקציה של שדות אלקטרומגנטיים קוהרנטיים בתוך מערכות חיות וחומרים ביולוגיים. הוא הסיק שמערכות חיות יוצרות תבנית אופיינית של תדירויות כביטוי לפעילויות האלקטרו-כימיות שלהן. תדירויות אלה הן מספיק חזקות כדי לעורר סנכרון נראה בראשנים בנוכחות אור צהוב. סמיט הציע ביו-תקשורת בין אורגניזמים בנוכחות אור ושדה אלקטרומגנטי חלש. הוא הציע שמעבר מידע בלתי נראה זה מושג על די המערכת המאקרוסקופית תוך השענות על תחלופת פוטונים בנוכחות של וקטורי פוטנציאלים מגנטיים. לתיאוריה שלו יש קשר ברור לביו-פוטונים של פופ.  

מטי פיטקנן Matti Pitkanen, פיזיקאי תיאורטיקן פיני, הציע שעקרונות רבים של פיזיקת הקוונטים יכולים להיות מיושמים למערכות ביולוגיות. הוא הציע שמעבר המידע בביולוגיה מתרחש באמצעות נתיבים על-מוליכים, ושהאלקטרונים והפוטונים הם נשאי המידע הזה. עבודה זו נתמכת על ידי ניסויים שבוצעו על ידי פרימן וו. קופ Freeman W. Cope בשנות השבעים. קופ קישר בין הפיזיקה לביולוגיה בעבודה מרכזית והוא פיתח תיאורית מצב מוצק לתהליכים ביולוגיים. הוא הסיק שהפעילות בתוך התא היא לא רק אלקטרו-כימית, והוא הביט על תפקוד התא כאילו האיברים שבתוכו היו מוליכים למחצה תלת-ממדיים. התיאוריה שלו מציעה שניתן להחשיב את כל המבנים בתוך התא כבתוך שדה שבו יש אינטראקציה קבועה בין כל החלקיקים התת-אטומיים, לא רק בין מטענים על האלקטורנים. קופ פרסם מאמר ב-1978 שהראה שחומצות גרעין הידראטיות או מלנין יבש יוצרים קול בתדירות נמוכה במדידות של מוליכות חשמלית כאשר הם נחשפים לשדות מגנטיים בטמפרטורת החדר. מזה, הוא הסיק שעל-מוליכות, אנלוגית לעל-מוליכות במתכות בטמפרטורות מאוד נמוכות, הופיעה במערכות חיות בנוכחות שדה מגנטי. השקפתו הכוללת הייתה שנתיבים על-מוליכים משחקים תפקיד מפקח בתפקודים ביולוגיים.

Cope, F. W., (1971), “Evidence from activation energies for superconductive tunneling in biological systems at physiological temperatures,”Physiol. Chemistry & Physics, 3: 403-410.

Cope F. W., (1978), “Discontinuous magnetic field effects (Barkhausen noise) in nucleic acids as evidence for room temperature organic superconduction,”Physiol. Chemistry & Physics, 10: 233-246.

 

מחקרים אלה ורבים אחרים נראה שעוקבים אחרי קו מחשבה זהה: ישנו תחום נוסף – התחום הקוונטי המוזר – ששולט במערכות הביולוגיות בנוסף למערכות הביוכימיות.

נתקדם למחקרים מודרניים שעוסקים יותר בתחום של מכניזמים של ריאקציות. ניתן, למשל, להסביר בעזרת מכניקת הקוונטים כיצד האינטאין – סוג של חלבון שמצוי באורגניזמים חד-תאיים ובבקטריות – חותך את עצמו מהחלבון המארח ומחבר מחדש את שני הגדילים הנותרים. האינטאין חותך את רצף החלבון בשתי נקודות: אחת בטרמינל N ואז בטרמינל C. הריאקציה בטרמינל C מואצת בסביבות חומציות. כדי לפקח על הריאקציה ולהשתמש בה כ-“ננו-מתג”, דרושה הבנה טובה יותר של המכניזם שמאחורי הריאקציה הזו. ניתן להשתמש בחלבון הזה שחותך את עצמו ומצרף את החתיכות יחד בצורה שניתן לנבאה למטרות הננוטכנולוגיה. ומכיוון שהריאקציה יכולה להיות רגישה לאור ולעירור סביבתי אחר, התהליך יכול להיהפך ליותר מאשר מתג דו-כיווני “on” ו-“off”.

Mechanism for Intein C-Terminal Cleavage: A Proposal from Quantum Mechanical Calculations

Abstract

Inteins are autocatalytic protein cleavage and splicing elements. A cysteine to alanine mutation at the N-terminal of inteins inhibits splicing and isolates the C-terminal cleavage reaction. Experiments indicate an enhanced C-terminal cleavage reaction rate upon decreasing the solution pH for the cleavage mutant, which cannot be explained by the existing mechanistic framework. We use intein crystal structure data and the information about conserved amino acids to perform semiempirical PM3 calculations followed by high-level density functional theory calculations in both gas phase and implicit solvent environments. Based on these calculations, we propose a detailed low pH mechanism for intein C-terminal cleavage. Water plays an important role in the proposed reaction mechanism, acting as an acid as well as a base. The protonation of the scissile peptide bond nitrogen by a hydronium ion is an important first step in the reaction. That step is followed by the attack of the C-terminal asparagine side chain on its carbonyl carbon, causing succinimide formation and simultaneous peptide bond cleavage. The computed reaction energy barrier in the gas phase is 33kcal/mol and reduces to 25kcal/mol in solution, close to the 21kcal/mol experimentally observed at pH 6.0. This mechanism is consistent with the observed increase in C-terminal cleavage activity at low pH for the cleavage mutant of the Mycobacterium tuberculosis RecA mini-intein.

An intein crystal prior to protein splicing

Nanoswitch

התמונה מראה את גביש האינטאין לפני חיבור החלבון.

החוקרים חשפו את הפרטים של הריאקציה על ידי יישום העקרונות של מכניקת הקוונטים. היישום התאפשר תודות למחשבי העל, שיכלו ליישם מודל קוונטי מכני לאטום פחמן בחלבון בדיוק באותו האופן שבו מיישמים מודלים כאלה לאטום פחמן בננו-צינוריות. למרות שחלבון הוא מערכת מורכבת ואסימטרית, ברמה הקוונטית מדובר באטומים של פחמן, חנקן, מימן וחמצן ששרים לחוקי מכניקת הקוונטים.

מכניקת הקוונטים מאפשרת לחוקרים לבצע דברים שלא ניתן לבצעם בעזרת הפיזיקה הקלאסית, כמו למשל למדל את האופן שבו קשרים כימיים נוצרים ומתפרקים, או לדבר על האפקט של מנהור חלבוני – חלבונים שיכולים לנוע דרך מחסומי אנרגיה שבדרך כלל יהיו בלתי אפשריים עבורם. ראו למשל את המאמר הבא שפורסם בדיוק לפני שנה על ידי חוקרים מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת תל אביב על מנהור חלבוני.

למשל, נתבונן בתהליך הפוטוסינתזה. צמחים ואורגנזמים פוטוסינתתיים אחרים ממירים את אור השמש לצורות שונות של אנרגיה מטבולית. כדי לחשוף את עצמם בצורה האופטימאלית לשמש, בעוד שבאותו הזמן הם נמנעים מחשיפת יתר לאור, אורגניזמים אלה משתמשים במערכות מולקולאריות רגישות לאור שמפקחות, למשל על הכיוון של העלים שלהם. מערכות כאלה כוללות פוטו-רצפטורים שהם רגישים לאור כחול. חוקרים השתמשו בסימולציות מחשב שמשלבות בין שיטות מכניות קוונטיות לשיטות קלאסיות כדי לחקור פוטו-עירור ותהליכים שבאו בעקבות זאת ברמה האטומית.

נתבונן בתהליכים קוונטיים שדרושים לסינתזת ATP. המהלך של חלבוני הממבראנה שיוצרים את יחידת הפוטוסינתזה. בליעת האור ומעבר עירור בתוך החלבונים שקולטים את האור, מעבר האלקטרונים בתוך מרכז הריאקציה הפוטוסינתתית, מעבר הפרוטונים, הריאקציה הכימית של סינתזת ה-ATP, וכולי. התיאור של תהליכים קוונטיים מתמקד בדרך כלל במולקולות מיוחדות כמו כלורופילים שמשובצות בסביבת חלבונים גדול יותר.

 לסיום, יש היום גם תחום שנקרא “סרטן קוונטי“, דהינו, הכנסת שיטות קוונטיות לחקר התפתחות הסרטן ברמה התאית. האם הפעולות של התאים בתהליך הסרטני מציגות תכונות קוונטיות מכניות? הסרטן הקוונטי הוא תחום שמנסה לגרום לביולוגים לחשוב אל מחוץ לקופסא הביולוגית.

 

 

 

Advertisements

3 thoughts on “ביולוגיה קוונטית

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s