La biologie quantique pourrait révolutionner notre compréhension du fonctionnement de la vie

La biologie quantique pourrait révolutionner notre compréhension du fonctionnement de la vie

Horodatage: 19 mai 2023, 10 h 00
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Imaginez que vous utilisez votre téléphone portable pour contrôler l'activité de vos propres cellules afin de traiter les blessures et les maladies. Cela ressemble à quelque chose de l'imagination d'un écrivain de science-fiction trop optimiste. Mais cela pourrait un jour être une possibilité grâce au domaine émergent de la biologie quantique.

Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont fait des progrès incroyables dans la compréhension et la manipulation des systèmes biologiques à des échelles de plus en plus petites, de repliement des protéines à génie génétique. Et pourtant, la mesure dans laquelle les effets quantiques influencent les systèmes vivants reste à peine comprise.

Les effets quantiques sont des phénomènes qui se produisent entre les atomes et les molécules et qui ne peuvent être expliqués par la physique classique. On sait depuis plus d'un siècle que les règles de la mécanique classique, comme les lois du mouvement de Newton, se décomposer à l'échelle atomique. Au lieu de cela, les objets minuscules se comportent selon un ensemble différent de lois connues sous le nom de mécanique quantique.

Pour les humains, qui ne peuvent percevoir que le monde macroscopique, ou ce qui est visible à l'œil nu, la mécanique quantique peut sembler contre-intuitive et quelque peu magique. Des choses auxquelles vous ne vous attendez peut-être pas se produisent dans le monde quantique, comme électrons "tunneling" à travers minuscules barrières énergétiques et apparaissant indemnes de l'autre côté, ou se trouvant à deux endroits différents en même temps dans un phénomène appelé superposition.

je suis formé comme ingénieur quantique. La recherche en mécanique quantique est généralement orientée vers la technologie. Cependant, et de manière quelque peu surprenante, il y a de plus en plus de preuves que la nature - un ingénieur avec des milliards d'années de pratique - a appris à utiliser la mécanique quantique pour fonctionner de manière optimale. Si cela est effectivement vrai, cela signifie que notre compréhension de la biologie est radicalement incomplète. Cela signifie également que nous pourrions éventuellement contrôler les processus physiologiques en utilisant les propriétés quantiques de la matière biologique.

Le quantum en biologie est probablement réel

Les chercheurs peuvent manipuler les phénomènes quantiques pour créer une meilleure technologie. En fait, vous vivez déjà dans un monde à énergie quantique: des pointeurs laser au GPS, en passant par l'imagerie par résonance magnétique et les transistors de votre ordinateur, toutes ces technologies reposent sur des effets quantiques.

En général, les effets quantiques ne se manifestent qu'à de très petites échelles de longueur et de masse, ou lorsque les températures approchent du zéro absolu. C'est parce que les objets quantiques comme les atomes et les molécules perdre leur "quantité" lorsqu'ils interagissent de manière incontrôlable entre eux et avec leur environnement. En d'autres termes, une collection macroscopique d'objets quantiques est mieux décrite par les lois de la mécanique classique. Tout ce qui commence quantique meurt classique. Par exemple, un électron peut être manipulé pour être à deux endroits en même temps, mais il se retrouvera à un seul endroit après un court instant, exactement ce à quoi on s'attendrait classiquement.

Dans un système biologique compliqué et bruyant, on s'attend donc à ce que la plupart des effets quantiques disparaissent rapidement, emportés dans ce que le physicien Erwin Schrödinger a appelé le «environnement chaud et humide de la cellule.” Pour la plupart des physiciens, le fait que le monde vivant fonctionne à des températures élevées et dans des environnements complexes implique que la biologie peut être décrite de manière adéquate et complète par la physique classique : pas de franchissement de barrière funky, pas de présence simultanée à plusieurs endroits.

Les chimistes, cependant, ont longtemps supplié de ne pas être d'accord. La recherche sur les réactions chimiques de base à température ambiante montre sans ambiguïté que processus se produisant au sein des biomolécules comme les protéines et le matériel génétique sont le résultat d'effets quantiques. Il est important de noter que ces effets quantiques nanoscopiques de courte durée sont compatibles avec la conduite de certains processus physiologiques macroscopiques que les biologistes ont mesurés dans des cellules et des organismes vivants. La recherche suggère que les effets quantiques influencent les fonctions biologiques, y compris régulation de l'activité enzymatique, détecter les champs magnétiques, métabolisme cellulaireet la transport d'électrons dans les biomolécules.

Comment étudier la biologie quantique

La possibilité alléchante que des effets quantiques subtils puissent modifier les processus biologiques présente à la fois une frontière passionnante et un défi pour les scientifiques. L'étude des effets de la mécanique quantique en biologie nécessite des outils capables de mesurer les courtes échelles de temps, les petites échelles de longueur et les différences subtiles dans les états quantiques qui entraînent des changements physiologiques, le tout intégré dans un environnement de laboratoire humide traditionnel.

Dans mon travail, je construis des instruments pour étudier et contrôler les propriétés quantiques de petites choses comme les électrons. De la même manière que les électrons ont une masse et une charge, ils ont aussi une propriété quantique appelée spin. Le spin définit la façon dont les électrons interagissent avec un champ magnétique, de la même manière que la charge définit la façon dont les électrons interagissent avec un champ électrique. Les expériences quantiques que j'ai construites depuis l'école doctorale, et maintenant dans mon propre laboratoire, visent à appliquer des champs magnétiques sur mesure pour modifier les spins d'électrons particuliers.

La recherche a démontré que de nombreux processus physiologiques sont influencés par de faibles champs magnétiques. Ces processus comprennent développement des cellules souches ainsi que les maturation, taux de prolifération cellulaire, réparation du matériel génétiqueet la d'innombrables autres. Ces réponses physiologiques aux champs magnétiques sont cohérentes avec les réactions chimiques qui dépendent du spin d'électrons particuliers dans les molécules. L'application d'un champ magnétique faible pour modifier les spins des électrons peut ainsi contrôler efficacement les produits finaux d'une réaction chimique, avec des conséquences physiologiques importantes.

Actuellement, un manque de compréhension du fonctionnement de ces processus à l'échelle nanométrique empêche les chercheurs de déterminer exactement quelle force et quelle fréquence des champs magnétiques provoquent des réactions chimiques spécifiques dans les cellules. Les technologies actuelles de téléphones portables, portables et de miniaturisation sont déjà suffisantes pour produire des champs magnétiques faibles et adaptés qui modifient la physiologie, tant pour le bien que pour le mal. La pièce manquante du puzzle est donc un «livre de codes déterministe» sur la façon de cartographier les causes quantiques aux résultats physiologiques.

À l'avenir, le réglage fin des propriétés quantiques de la nature pourrait permettre aux chercheurs de développer des dispositifs thérapeutiques non invasifs, contrôlés à distance et accessibles avec un téléphone mobile. Les traitements électromagnétiques pourraient potentiellement être utilisés pour prévenir et traiter des maladies, telles que tumeurs cérébrales, ainsi que dans la biofabrication, comme augmenter la production de viande cultivée en laboratoire.

Une toute nouvelle façon de faire de la science

La biologie quantique est l'un des domaines les plus interdisciplinaires à avoir jamais émergé. Comment créez-vous une communauté et formez-vous des scientifiques pour travailler dans ce domaine?

Depuis la pandémie, mon laboratoire de l'Université de Californie à Los Angeles et le centre de formation doctorale en biologie quantique de l'Université de Surrey ont organisé Les grandes rencontres de biologie quantique pour fournir un forum hebdomadaire informel permettant aux chercheurs de se rencontrer et de partager leur expertise dans des domaines tels que la physique quantique, la biophysique, la médecine, la chimie et la biologie.

La recherche ayant des implications potentiellement transformatrices pour la biologie, la médecine et les sciences physiques nécessitera de travailler dans un modèle de collaboration tout aussi transformateur. Travailler dans un laboratoire unifié permettrait aux scientifiques de disciplines qui adoptent des approches de recherche très différentes de mener des expériences qui répondent à l'étendue de la biologie quantique, du quantique au moléculaire, au cellulaire et à l'organisme.

L'existence de la biologie quantique en tant que discipline implique que la compréhension traditionnelle des processus de la vie est incomplète. D'autres recherches mèneront à de nouvelles perspectives sur la question séculaire de ce qu'est la vie, comment elle peut être contrôlée et comment apprendre avec la nature pour construire de meilleures technologies quantiques.The Conversation

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

Crédit image: ANIRUDH / Unsplash

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