Stel je voor dat je je mobiele telefoon gebruikt om de activiteit van je eigen cellen te volgen om verwondingen en ziekten te behandelen. Het klinkt als iets uit de verbeelding van een al te optimistische sciencefictionschrijver. Maar dit kan op een dag een mogelijkheid zijn door het opkomende veld van de kwantumbiologie.
In de afgelopen decennia hebben wetenschappers ongelooflijke vooruitgang geboekt in het begrijpen en manipuleren van biologische systemen op steeds kleinere schaal, van het vouwen van eiwitten tot genetische manipulatie. En toch wordt slecht begrepen in hoeverre kwantumeffecten levende systemen beïnvloeden.
Kwantumeffecten zijn fenomenen die optreden tussen atomen en moleculen die niet verklaard kunnen worden door de klassieke natuurkunde. Het is al meer dan een eeuw bekend dat de regels van de klassieke mechanica, zoals de bewegingswetten van Newton, uiteenvallen op atomaire schaal. In plaats daarvan gedragen kleine objecten zich volgens een andere reeks wetten die bekend staan als kwantummechanica.
Voor mensen, die alleen de macroscopische wereld kunnen waarnemen, of wat zichtbaar is voor het blote oog, kan kwantummechanica contra-intuïtief en enigszins magisch lijken. Dingen die je niet zou verwachten in de kwantumwereld, zoals elektronen die door kleine energiebarrières “tunnelen” en ongedeerd aan de andere kant verschijnen, of zich op twee verschillende plaatsen tegelijkertijd bevinden in een fenomeen dat superpositie wordt genoemd.
Ik ben opgeleid als kwantumingenieur. Onderzoek in de kwantummechanica is meestal technologiegericht. Er is echter, en enigszins verrassend, steeds meer bewijs dat de natuur, een ingenieur met miljarden jaren ervaring, heeft geleerd kwantummechanica te gebruiken om optimaal te functioneren. Als dit waar is, betekent dit dat ons begrip van de biologie radicaal onvolledig is. Het betekent ook dat we mogelijk fysiologische processen kunnen beheersen met behulp van de kwantumeigenschappen van biologische materie.
Quantum in de biologie is waarschijnlijk echt
Onderzoekers kunnen kwantumfenomenen manipuleren om betere technologie te bouwen. In feite leef je al in een door kwantum aangedreven wereld: van laserpointers tot GPS tot MRI’s tot de transistors in je computer, al deze technologieën zijn gebaseerd op kwantumeffecten.
Over het algemeen manifesteren kwantumeffecten zich alleen op zeer kleine lengte- en massaschalen, of wanneer de temperatuur het absolute nulpunt nadert. Dit komt omdat kwantumobjecten, zoals atomen en moleculen, hun “kwantiteit” verliezen wanneer ze ongecontroleerd met elkaar en hun omgeving interageren. Met andere woorden, de wetten van de klassieke mechanica beschrijven het beste een macroscopische verzameling kwantumobjecten. Alles wat kwantum begint, sterft klassiek. Een elektron kan bijvoorbeeld worden gemanipuleerd om op twee plaatsen tegelijk te zijn, maar het zal na een tijdje maar op één plaats terechtkomen, precies wat klassiek zou worden verwacht.
In een gecompliceerd en lawaaierig biologisch systeem wordt verwacht dat de meeste kwantumeffecten snel zullen verdwijnen, weggespoeld in wat natuurkundige Erwin Schrödinger de ‘warme, vochtige omgeving van de cel’ noemde. Voor de meeste natuurkundigen betekent het feit dat de levende wereld werkt bij hoge temperaturen en in complexe omgevingen dat de klassieke natuurkunde de biologie adequaat en volledig kan beschrijven: zonder funky barrières te overschrijden, zonder op meerdere locaties tegelijk te zijn.
Chemici zijn echter al lang aan het discussiëren. Onderzoek naar basale chemische reacties bij kamertemperatuur toont ondubbelzinnig aan dat de processen die plaatsvinden binnen biomoleculen zoals eiwitten en genetisch materiaal het resultaat zijn van kwantumeffecten. Belangrijk is dat dergelijke kortstondige nanoscopische kwantumeffecten consistent zijn met het aansturen van sommige macroscopische fysiologische processen die biologen hebben gemeten in levende cellen en organismen. Onderzoek suggereert dat kwantumeffecten biologische functies beïnvloeden, waaronder regulering van enzymactiviteit, detectie van magnetische velden, cellulair metabolisme en elektronentransport in biomoleculen.
Hoe kwantumbiologie te bestuderen
De verleidelijke mogelijkheid dat subtiele kwantumeffecten biologische processen kunnen veranderen, vormt zowel een opwindende grens als een uitdaging voor wetenschappers. Het bestuderen van de effecten van kwantummechanica in de biologie vereist hulpmiddelen die korte tijdschalen, kleine lengteschalen en subtiele verschillen in kwantumtoestanden kunnen meten die aanleiding geven tot fysiologische veranderingen, allemaal ingebed in een traditionele natte laboratoriumomgeving.
In mijn werk bouw ik instrumenten om de kwantumeigenschappen van kleine dingen zoals elektronen te bestuderen en te beheersen. Net zoals elektronen massa en lading hebben, hebben ze ook een kwantumeigenschap die spin wordt genoemd. Spin definieert hoe elektronen interageren met een magnetisch veld, net zoals lading bepaalt hoe elektronen interageren met een elektrisch veld. De kwantumexperimenten die ik heb gebouwd sinds de middelbare school, en nu in mijn eigen lab, hebben tot doel aangepaste magnetische velden toe te passen om de spins van bepaalde elektronen te veranderen.
Onderzoek heeft aangetoond dat veel fysiologische processen worden beïnvloed door zwakke magnetische velden. Deze processen omvatten de ontwikkeling en rijping van stamcellen, celproliferatiesnelheden, herstel van genetisch materiaal en vele andere. Deze fysiologische reacties op magnetische velden komen overeen met chemische reacties die afhankelijk zijn van de spin van bepaalde elektronen in moleculen. Het toepassen van een zwak magnetisch veld om elektronenspins te veranderen, kan de eindproducten van een chemische reactie effectief beheersen, met belangrijke fysiologische gevolgen.
Momenteel verhindert een gebrek aan begrip van hoe deze processen werken op nanometerschaal onderzoekers om precies te bepalen welke sterkte en frequentie van magnetische velden specifieke chemische reacties in cellen veroorzaken. De huidige technologieën van mobiele telefoons, draagbare apparaten en miniaturisatie zijn al voldoende om zwakke, gepersonaliseerde magnetische velden te produceren die de fysiologie veranderen, zowel ten goede als ten kwade. Het ontbrekende stukje van de puzzel is daarom een ”deterministisch codeboek” over hoe kwantumoorzaken kunnen worden gekoppeld aan fysiologische uitkomsten.
In de toekomst zou het verfijnen van de kwantumeigenschappen van de natuur onderzoekers in staat kunnen stellen niet-invasieve, op afstand bestuurbare therapeutische apparaten te ontwikkelen die toegankelijk zijn met een mobiele telefoon. Elektromagnetische behandelingen kunnen mogelijk worden gebruikt om ziekten, zoals hersentumoren, te voorkomen en te behandelen, maar ook bij bioproductie, zoals het verhogen van de productie van in het laboratorium gekweekt vlees.
Een nieuwe manier van wetenschap bedrijven
Kwantumbiologie is een van de meest interdisciplinaire gebieden die ooit zijn ontstaan. Hoe bouw je een gemeenschap op en train je wetenschappers om op dit gebied te werken?
Sinds de pandemie hebben mijn lab aan de University of California, Los Angeles en het University of Surrey’s Centre for Doctoral Training in Quantum Biology Big Quantum Biology-bijeenkomsten georganiseerd om een informeel wekelijks forum te bieden waar onderzoekers samenkomen en hun ervaringen delen op gebieden zoals als conventionele kwantumfysica. , biofysica, geneeskunde, scheikunde en biologie.
Onderzoek met potentieel transformerende implicaties voor biologie, geneeskunde en natuurwetenschappen vereist werken binnen een al even transformerend samenwerkingsmodel. Door in een verenigd laboratorium te werken, zouden wetenschappers uit disciplines met zeer verschillende onderzoeksbenaderingen experimenten kunnen uitvoeren die de breedte van de kwantumbiologie bestrijken, van kwantum tot moleculair, cellulair en organisch.
Het bestaan van kwantumbiologie als discipline impliceert dat het traditionele begrip van levensprocessen onvolledig is. Verder onderzoek zal leiden tot nieuwe inzichten in de eeuwenoude vraag wat leven is, hoe het kan worden gecontroleerd en hoe te leren met de natuur om betere kwantumtechnologieën te bouwen.