Quantumbiologie

Onderwerp: Biofysica (vwo), Quantumwereld, Werking van apparaten

Speelt quantummechanica ook een rol in de biologie?

In de natuurkunde hebben we quantummechanica nodig om het gedrag van de kleinste deeltjes, zoals atomen en moleculen, te beschrijven. Een van de bekendste gedachte-experimenten uit de quantummechanica is Schrödingers kat. Maar speelt quantummechanica ook een rol in de biologie?

In 2007 beschreef een groep wetenschappers uit Berkeley, nabij San Francisco, hoe ze met behulp van heel korte laserpulsen hadden ontdekt dat quantummechanische golven een rol spelen in de fotosynthese van een bijzonder soort bacterie, figuur 1.

Figuur 1: Rond de warme vulkanische bron, hier bij de Prismatic Spring in het Yellowstone National Park in de Verenigde Staten, leven bacteriën in felbruine en oranjekleurige matten die energie uit zonlicht halen. Bron: Thomas la Cour Jansen
Figuur 1: Rond de warme vulkanische bron, hier bij de Prismatic Spring in het Yellowstone National Park in de Verenigde Staten, leven bacteriën in felbruine en oranjekleurige matten die energie uit zonlicht halen. Bron: Thomas la Cour Jansen

Deze experimenten kregen veel aandacht, omdat de combinatie van quantummechanica en biologie voor veel mensen verrassend was. Quantummechanica wordt door velen als mysterieus en bijzonder gezien. Er was echter ook veel kritiek op deze experimenten. Sommige mensen zeiden dat de experimenten niet goed waren uitgevoerd, dat de interpretatie verkeerd was en dat het experiment bij heel lage temperaturen werd uitgevoerd, waarbij geen leven zou kunnen bestaan. Zelf heb ik deze experimenten bekeken en ik ben ervan overtuigd dat de uitleg inderdaad niet helemaal klopt. Maar dat betekent niet dat quantummechanica geen rol speelt bij deze bacteriën. Het gebeurt alleen op een andere manier dan aanvankelijk werd gedacht.

Schrödingers kat

Schrödingers kat, zie figuur 2, is een gedachte-experiment van Edwin Schrödinger, een van de pioniers van de quantummechanica.

Figuur 2: Illustratie van Schrödingers kat met een radioactief atoom, een geigerteller en gif. Bron: Anarkman, Wikimedia
Figuur 2: Illustratie van Schrödingers kat met een radioactief atoom, een geigerteller en gif. Bron: Anarkman, Wikimedia

Het idee is dat er een kat wordt opgesloten in een kleine ruimte. In die ruimte bevindt zich een radioactief atoom dat, volgens de quantummechanica, tegelijkertijd is vervallen en niet is vervallen (aangeslagen), totdat er een meting op wordt gedaan. Het atoom bevindt zich in een zogenoemde superpositie, waarbij het tegelijk aangeslagen en vervallen is. Er is ook een detector (een geigerteller) in de ruimte die ervoor zorgt dat er giftig blauwzuur vrijkomt als het radioactieve atoom vervalt. In dat geval zou de kat dus doodgaan. Quantummechanisch gezien bevindt de kat zich, net als het atoom, in een superpositie en is hij zowel dood als levend. Volgens Schrödinger weten we pas of de kat dood of levend is op het moment dat we de ruimte openen en iemand kijkt. Pas dan zal het atoom definitief vervallen of aangeslagen zijn, en zal de kat dood of levend blijken te zijn. In onze klassieke ervaring is het zinloos dat de kat tegelijkertijd dood en levend kan zijn, maar op de schaal van atomen is dit heel normaal. Een kat is echter veel te groot om zulke quantummechanische effecten te kunnen waarnemen. Een superpositie van een dode en levende kat zou veel korter bestaan dan de tijd die nodig is voor de kat om te sterven door vergiftiging.

Groene zwavelbacteriën

De bacteriën die in 2007 werden onderzocht, zijn groene zwavelbacteriën. Ze zijn groen omdat ze groen licht weerkaatsen en alle andere kleuren licht efficiënt absorberen. Ze leven in warme vulkanische bronnen of diep in de zee, waar ze ondanks de aanwezigheid van heel kleine hoeveelheden licht toch kunnen overleven door middel van fotosynthese. Dit komt onder andere doordat ze een zeer efficiënt soort antenne hebben voor het opvangen van licht (fotonen). Deze antenne bestaat uit duizenden dicht op elkaar gepakte kleurstofmoleculen, zie figuur 3, die lamellen of buisjes vormen.

Figuur 3: Links: Een bacteriochlorofyl kleurstofmolecuul. De roze stip is een magnesiumatoom, turquoise is koolstof, blauw is stikstof, wit is waterstof en rood is zuurstof. De ring rond om het magnesiumatoom is verantwoordelijk voor de kleur. Rechts: Drie buizen uit een chlorosoom, opgebouwd uit duizenden bacteriochlorofyl kleurstofmoleculen. Bron: Thomas la Cour Jansen
Figuur 3: Links: Een bacteriochlorofyl kleurstofmolecuul. De roze stip is een magnesiumatoom, turquoise is koolstof, blauw is stikstof, wit is waterstof en rood is zuurstof. De ring rond om het magnesiumatoom is verantwoordelijk voor de kleur. Rechts: Drie buizen uit een chlorosoom, opgebouwd uit duizenden bacteriochlorofyl kleurstofmoleculen. Bron: Thomas la Cour Jansen

Elk kleurstofmolecuul kan licht opvangen door over te gaan naar een aangeslagen elektronentoestand met een hogere energie dan de grondtoestand, waar het normaal in zit. Dit gebeurt ook bij andere kleurstoffen. Wat bijzonder is aan deze systemen, is dat de kleurstofmoleculen zo dicht bij elkaar zitten dat de aangeslagen elektronentoestand van één kleurstofmolecuul zich kan verspreiden over meerdere moleculen tegelijk. De aangeslagen toestand zit dus niet op één molecuul, maar is typisch over honderden tegelijk verspreid. Wanneer een foton wordt opgevangen, ontstaat er een collectieve aangeslagen toestand in de antenne. Op deze manier is de energie verspreid over een groot deel van de antenne en kan die er makkelijk doorheen bewegen. Dit lijkt een beetje op Schrödingers kat uit het gedachte-experiment, waarbij de kat tegelijkertijd dood en levend kon zijn. In de antenne is de energie van het foton tegelijkertijd verspreid over veel kleurstofmoleculen. Dit kan, net zoals bij de kat, worden gezien als een quantummechanisch effect. De energie beweegt zich efficiënt als een golf over de buisjes en lamellen. Pas als we kijken op welk molecuul de energie is terechtgekomen, ontstaat er een klassieke toestand, waarbij de energie zich op één molecuul bevindt en nergens anders. Deze bijzondere collectieve aangeslagen quantumtoestand maakt het mogelijk dat de energie die uit het licht wordt opgenomen, binnen zeer korte tijd (in picoseconden, dus een biljoenste van een seconde) wordt getransporteerd naar de plek in de bacterie waar het wordt omgezet in chemische energie. Deze chemische energie kan de bacterie gebruiken om te groeien. De collectieve quantumtoestanden zorgen er dus voor dat de energie efficiënt naar de goede plek wordt gebracht. Wat ze in Berkeley daarentegen hadden waargenomen, waren trillingen van atomen in de enkele kleurstofmoleculen die geen rol spelen in het efficiënt overdragen van energie.

Uniek?

De groene zwavelbacteriën zijn vrij uniek omdat ze superefficiënt met energie omgaan en hun antennesysteem als de enige in de natuur geen eiwitten bevat, maar alleen kleurstofmoleculen. Elk jaar worden er echter nieuwe bacteriën ontdekt die fotosynthese gebruiken, maar die nog niet in laboratoria zijn onderzocht. Er is dus nog veel te ontdekken. In 2022 werd bijvoorbeeld de structuur van het antennesysteem, zoals te zien in figuur 4, vastgelegd voor een bacterie die leeft in de Gobiwoestijn in China. Dit was de eerste keer dat in deze bacteriestam fotosynthese werd waargenomen. De antenne bestaat uit drie ringen van kleurstofmoleculen die worden vastgehouden door eiwitten. In het midden van de ringen bevinden zich moleculen die verantwoordelijk zijn voor het omzetten van de aangeslagen toestand in chemische energie. De quantumtoestanden in de ringen zijn ook verspreid over veel van deze moleculen, wat het efficiënt maakt om de energie naar de moleculen in het midden te transporteren.

Figuur 4: De dikke lijnen tonen de 108 bacteriochlorofyl kleurstofmoleculen in de antenne van de bacterie Gemmatimonas phototrophica, die in de Gobiwoestijn leeft. De eiwitten die de kleurstofmoleculen vasthouden, zijn weergegeven met dunne lijnen. Bron: Thomas la Cour Jansen
Figuur 4: De dikke lijnen tonen de 108 bacteriochlorofyl kleurstofmoleculen in de antenne van de bacterie Gemmatimonas phototrophica, die in de Gobiwoestijn leeft. De eiwitten die de kleurstofmoleculen vasthouden, zijn weergegeven met dunne lijnen. Bron: Thomas la Cour Jansen

Toepassingen

Nu vraag je je misschien af waar onze kennis over hoe quantummechanica in deze bacteriën werkt, nuttig voor is. Je leest dit waarschijnlijk op het scherm van je computer, smartphone of tablet. In de afgelopen jaren hebben we geleerd hoe we veel betere schermen kunnen maken, met mooie kleuren en kleine pixels. Het blijkt dat de beste schermen (oled genaamd) gemaakt worden met kleurstofmoleculen die vergelijkbaar zijn met die van de bacteriën. Alleen worden ze op een andere manier gebruikt. Met behulp van elektronica worden deze moleculen aangeslagen, en wanneer ze teruggaan naar hun grondtoestand, zenden ze licht uit. Als deze moleculen dicht bij elkaar worden geplaatst en in een quantumtoestand zoals in de bacteriën, kunnen ze het licht heel efficiënt uitstralen en dus een mooi schermbeeld geven.

Thomas la Cour Jansen