Kwantumverstrengeling houdt DNA bij elkaar, zeggen natuurkundigen

Er was een tijd, niet zo lang geleden, dat biologen zwart en blauw zwoeren dat de kwantummechanica geen rol kon spelen in de hete, natte systemen van het leven.

Sindsdien is de discipline kwantumbiologie naar voren gekomen als een van de meest opwindende nieuwe gebieden in de wetenschap. Het begint erop te lijken dat kwantumeffecten cruciaal zijn in een aantal biologische processen, zoals fotosynthese en aviaire navigatie die we hier hebben bekeken en hier .

Nu zegt een groep natuurkundigen dat de vreemde wetten van de kwantummechanica misschien wel belangrijker zijn voor het leven dan biologen ooit hadden kunnen vermoeden. Hun nieuwe idee is dat DNA bij elkaar wordt gehouden door kwantumverstrengeling.

Dat is de moeite waard om in meer detail uit elkaar te halen. Verstrengeling is het vreemde kwantumproces waarbij een enkele golffunctie twee afzonderlijke objecten beschrijft. Wanneer dit gebeurt, delen deze objecten in feite hetzelfde bestaan, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn.

De vraag die Elisabeth Rieper van de National University of Singapore en een paar maatjes hebben gesteld, is welke rol verstrengeling in DNA zou kunnen spelen. Om daar achter te komen, hebben ze een vereenvoudigd theoretisch model van DNA geconstrueerd waarin elk nucleotide bestaat uit een wolk van elektronen rond een centrale positieve kern. Deze negatieve wolk kan bewegen ten opzichte van de kern, waardoor een dipool ontstaat. En de beweging van de wolk heen en weer is een harmonische oscillator.

Wanneer de nucleotiden zich binden om een ​​base te vormen, moeten deze wolken in tegengestelde richtingen oscilleren om de stabiliteit van de structuur te verzekeren.

Rieper en co vragen wat er gebeurt met deze oscillaties, of fononen zoals natuurkundigen ze noemen, wanneer de basenparen in een dubbele helix worden gestapeld.

Fononen zijn kwantumobjecten, wat betekent dat ze in een superpositie van toestanden kunnen bestaan ​​en verstrengeld kunnen raken, net als andere kwantumobjecten.

Om te beginnen stellen Rieper en co zich de helix voor zonder enig effect van warmte van buitenaf. Het is duidelijk dat de keten van gekoppelde harmonische oscillatoren verstrengeld is bij nultemperatuur, zeggen ze. Vervolgens laten ze zien dat de verstrengeling ook bij kamertemperatuur kan bestaan.

Dat is mogelijk omdat fononen een golflengte hebben die qua grootte vergelijkbaar is met een DNA-helix en hierdoor kunnen staande golven worden gevormd, een fenomeen dat bekend staat als fonon-trapping. Wanneer dit gebeurt, kunnen de fononen niet gemakkelijk ontsnappen. Van een soortgelijk soort fonon-trapping is bekend dat het problemen veroorzaakt in siliciumstructuren van dezelfde grootte.

Dat zou van weinig betekenis zijn als het geen algemeen effect op de helix had. Maar het door Rieper en co ontwikkelde model suggereert dat het effect diepgaand is.

Hoewel elk nucleotide in een basenpaar in tegengestelde richtingen oscilleert, gebeurt dit als een superpositie van toestanden, zodat de totale beweging van de helix nul is. In een puur klassiek model kan dit echter niet gebeuren, in welk geval de helix zou trillen en uit elkaar zou schudden.

Dus in die zin zijn deze kwantumeffecten verantwoordelijk voor het bijeenhouden van DNA.

De vraag is natuurlijk hoe dit te bewijzen. Ze zeggen dat één bewijslijn is dat een puur klassieke analyse van de energie die nodig is om DNA bij elkaar te houden niet klopt. Hun kwantummodel vult echter de kloof. Dat is interessant, maar ze zullen met iets experimenteel overtuigends moeten komen om biologen van deze ideeën te overtuigen.

Een prikkelende suggestie aan het einde van hun paper is dat de verstrengeling van invloed kan zijn op de manier waarop informatie van een DNA-streng wordt afgelezen en dat het mogelijk is om dit experimenteel te exploiteren. Alleen hoe, zeggen ze niet.

Speculatief maar potentieel explosief werk.

Referentie: arxiv.org/abs/1006.4053 : De relevantie van continue variabele verstrengeling in DNA

zich verstoppen