양자생물학

Quantum biology

양자생물학은 생물학적 물체와 문제에 양자역학과 이론 화학의 응용을 연구하는 학문이다. 많은 생물학적 과정들은 에너지를 화학적 변환에 사용할 수 있는 형태로 변환하는 것을 포함하며, 자연에서는 양자역학이다. 그러한 과정은 광합성, 후각, 세포호흡과 같은 화학 작용에서 화학 반응, 광 흡수, 흥분된 전자 상태의 형성, 흥분 에너지의 전달, 전자와 양성자(수소 이온)의 전달을 포함한다.[1]

양자 생물학은 양자 역학적 효과에 비추어 생물학적 상호작용을 모형화하기 위해 연산을 사용할 수 있다.[2] 양자생물학은 생물학적 과정을 기초물리학으로 줄임으로써 설명할 수 있는 비종교적 양자현상의 영향에 대해 염려하고 있는데,[3] 이러한 영향은 연구하기 어렵고 투기적일 수 있다.[4]

역사

양자 생물학은 새롭게 부상하는 분야다. 현재 대부분의 연구는 이론적이며 추가적인 실험을 필요로 하는 질문의 대상이다. 비록 이 분야가 최근에야 주목을 받았으나, 20세기 내내 물리학자들에 의해 개념화되었다. 양자 생물학이 미래의 의학계에 결정적인 역할을 할 수도 있다는 주장이 제기되었다.[5] 양자물리학의 초기 개척자들은 생물학적 문제에 양자역학의 응용을 보았다. 에르윈 슈뢰딩거의 1944년 저서 '삶이란 무엇인가?'는 생물학에서 양자역학의 응용을 논했다.[6] 슈뢰딩거는 공동의 화학적 결합의 구성에서 유전적 정보를 담고 있는 "주기적 결정"의 아이디어를 소개했다. 그는 또한 돌연변이는 "양적 도약"에 의해 도입될 것이라고 제안했다. 다른 개척자 닐스 보어, 파스쿠알 요르단, 막스 델브룩은 보완성의 양자사상이 생명과학의 기본이라고 주장했다.[7] 1963년 페르-올로프 뢰빈(Per-Olov Löwdin)은 DNA 돌연변이를 위한 또 다른 메커니즘으로 양성자 터널링을 발표했다. 그의 논문에서, 그는 "양자 생물학"이라고 불리는 새로운 연구 분야가 있다고 말했다.[8]

적용들

광합성

주요 기사: 광합성
FMO 복합체 도표. 빛은 안테나에서 전자를 흥분시킨다. 그런 다음 이 흥분은 FMO 복합체의 다양한 단백질을 통해 반응 센터로 전달되어 더 많은 광합성을 한다.

광합성을 하는 유기체는 더듬이에서 전자가 흥분하는 과정을 통해 빛에너지를 흡수한다. 이 더듬이들은 유기체마다 다르다. 예를 들어 박테리아는 고리 모양의 더듬이를 사용하는 반면, 식물들은 엽록소 색소를 사용하여 광자를 흡수한다. 광합성은 세포가 사용 가능한 화학 에너지로 변환하는 전하의 분리를 제공하는 Frenkel exiciton을 생성한다. 반응 현장에서 수집된 에너지는 형광이나 열 진동 운동으로 손실되기 전에 빨리 전달되어야 한다.

녹색 유황세균의 FMO 복합체 등 다양한 구조물이 더듬이에서 반응 장소로 에너지를 전달하는 역할을 한다. 전자 흡수 및 전달에 대한 FT 전자 분광학 연구는 99%[9] 이상의 효율을 보여주는데, 확산 모델과 같은 고전적인 기계 모델로는 설명할 수 없다. 대신에, 1938년 초에 과학자들은 양자 일관성이 흥분 에너지 전달의 메커니즘이라고 이론화했다.

과학자들은 최근 이 제안된 에너지 전달 메커니즘에 대한 실험적인 증거를 찾고 있다. 2007년에 발표된 연구에서는 -196 °C(77 K)에서 전자 양자 일관성을[10] 확인했다고 주장했다. 2010년의 또 다른 이론적 연구는 양자 결합이 생물학적으로 관련된 온도(4 °C 또는 277 K)에서 300 펨토초만큼 오래 산다는 증거를 제공했다. 같은 해에, 2차원 광자 에코 분광법을 이용한 광합성 암호생성 조류에 대한 실험은 장기 양자 결합에 대한 추가적인 확인을 제공했다.ce.[11] 이러한 연구들은 진화를 통해 자연이 광합성의 효율성을 높이기 위해 양자 일관성을 보호하는 방법을 개발했음을 시사한다. 그러나 비판적인 후속 연구는 이러한 결과의 해석에 의문을 제기한다. 이제 단일 분자 분광학에서는 정전기 장애의 간섭 없이 광합성의 양자 특성을 보여주고 있으며, 일부 연구에서는 이 방법을 사용하여 색소포체에서 발생하는 핵 역학에 전자 양자 일관성의 보고된 서명을 할당한다.[12][13][14][15][16][17][18] 예상외로 긴 일관성을 설명하려는 다수의 제안이 나왔다. 한 제안에 따르면 단지 내 각 부지가 자체 환경소음을 느낄 경우 전자는 양자 응집성과 열환경 둘 다로 인해 국소 최소치를 유지하지 않고 양자보행을 통해 반응현장으로 진행하게 된다.[19][20][21] 또 다른 제안은 양자 일관성과 전자 터널링의 비율이 전자를 반응 부위로 빠르게 이동하는 에너지 싱크를 생성한다는 것이다.[22] 다른 연구에서는 단지 내 기하학적 대칭이 양자 네트워크의 완벽한 상태 전달을 미러링하면서 반응 센터에 대한 효율적인 에너지 전달을 선호할 수 있다고 제안했다.[23] 더욱이 인공염료 분자를 이용한 실험은 양자 효과가 100 팜토초 이상 지속된다는 해석에 의문을 제기한다.[24]

2017년, 주변 조건 하에서 원래의 FMO 단백질을 사용한 1차 제어 실험에서 전자 양자 효과가 60 팜토초 이내에 씻겨 나가는 반면, 전체 익시톤 전송은 몇 피코초 단위로 시간이 걸리는 것으로 확인되었다.[25] 2020년에 광범위한 제어 실험과 이론에 기초한 검토는 FMO 시스템에서 오래 산 전자적 결합으로 제안된 양자 효과를 보유하지 않는다는 결론을 내렸다.[26] 대신에, 운송 역학을 조사하는 연구에 따르면 FMO 단지에서 전자적 및 진동적 흥분 모드 간의 상호작용은 익시톤 에너지 전달에 대한 반정밀적, 반정량적 설명이 필요하다. 즉, 양자 일관성이 단기적으로 지배하는 반면, 고전적 서술은 흥분성의 장기적 행동을 묘사하는 데 가장 정확하다.[27]

거의 100%의 효율성을 가진 광합성의 또 다른 과정은 전하 전달인데, 이는 다시 양자역학 현상이 작용하고 있음을 시사한다.[18] 1966년 광합성 박테리아 크로마티움에 대한 연구는 100K 미만의 온도에서 시토크롬 산화는 온도에 의존하고, (밀리초 순서에 따라) 느리며, 활성화 에너지가 매우 낮다는 것을 발견했다. 저자인 Don DeVault와 Briton Chase는 전자 전달의 이러한 특성은 고전적으로 필요한 것보다 적은 에너지를 소유함에도 불구하고 전자가 잠재적 장벽을 관통하는 양자 터널링을 나타낸다고 가정했다.[28]

세스 로이드 역시 이 연구 분야에 기여한 공로로 유명하다.

DNA 돌연변이

디옥시리보핵산, DNA는 몸 전체에 단백질을 만드는 지시 역할을 한다. 그것은 4개의 뉴클레오티드 구아닌, 티민, 시토신, 아데닌으로 구성되어 있다.[29] 이 뉴클레오티드의 순서는 다른 단백질에 대한 "레시피"를 준다.

세포가 번식할 때마다 이 DNA 가닥들을 복사해야 한다. 그러나 때때로 DNA 가닥을 복사하는 과정 내내 돌연변이, 즉 DNA 코드의 오류가 발생할 수 있다. DNA 돌연변이의 이면에 대한 이론은 로댕 DNA 돌연변이 모델에 설명되어 있다.[30] 이 모델에서 뉴클레오티드는 양자 터널링 과정을 통해 형태를 바꿀 수 있다.[31] 이 때문에 변화된 뉴클레오티드는 원래의 염기쌍과 짝을 이루는 능력을 상실하게 되고 결과적으로 DNA 가닥의 구조와 순서를 바꾸게 된다.

자외선과 다른 종류의 방사선에 노출되면 DNA 돌연변이와 손상을 일으킬 수 있다. 방사선은 또한 피리미딘의 DNA 가닥을 따라 결합을 수정하고 그것들 자신들과 결합하도록 만들 수 있다.[32]

많은 원핵생물들과 식물들에서, 이러한 결합들은 DNA 복구 효소 광합효소에 의해 원래의 형태로 복구된다. 그것의 접두사가 암시하듯이, 광분해제는 가닥을 수리하기 위해 빛에 의존한다. Photoyase는 DNA를 수리하면서 공동 인자인 FADH, 플라빈 아데닌 디뉴클레오타이드와 함께 작업한다. 광합효소는 가시광선에 흥분해 전자를 공작용제인 FADH-로 옮긴다. FADH-는 현재 여분의 전자를 소유하고 있는 디머에게 전자를 주어 결합을 깨뜨리고 DNA를 수리한다. 전자의 이러한 전달은 전자가 FADH에서 조광기로의 터널링을 통해 이루어진다. 터널링의 범위는 진공에서 실현 가능한 범위보다 훨씬 크지만, 이 시나리오에서 터널링은 "supereexchanges-mediated tunneling"이라고 하며, 전자의 터널링 속도를 높이는 단백질의 능력 때문에 가능하다.[30]

후각의 진동 이론

후각인 후각은 두 부분으로 나눌 수 있다; 화학 물질의 수신과 검출, 그리고 그 검출이 뇌에 보내지고 처리되는 방법. 이 냄새 제거 과정은 여전히 의문이다. 후각의 형태 이론이라는 한 이론은 특정 후각 수용체가 화학 물질의 특정한 형태에 의해 촉발되고 그 수용체들이 뇌에 특정한 메시지를 보낸다는 것을 암시한다.[33] 또 다른 이론(양자현상에 근거한)은 후각 수용체가 자신에게 도달하는 분자의 진동을 감지하고 '냄새'는 서로 다른 진동수 때문에 발생한다는 것을 시사하는데, 이 이론을 후각의 진동수설이라고 하는 것이 적당하다.

말콤 다이슨이[34] 1938년 만들었지만 1996년 루카 토리노에 의해 재활성화된 후각의 진동 이론은 후각의 메커니즘이 전자가 에너지를 잃는 터널링, 분자를 가로지르는 터널링에 의한 비탄성 전자 터널링에 의한 분자 진동을 감지하는 G단백 수용체 때문이라고 한다.[35][35] 이 과정에서 분자는 결합 부위를 G단백 수용체로 채울 것이다. 화학물질을 수용체에 결합한 후, 그 화학 물질은 전자가 단백질을 통해 전달될 수 있도록 하는 가교 역할을 할 것이다. 전자가 장벽이 아니었으면 했던 것을 가로질러 전달되면서, 수용체에 새로 결합한 분자의 진동으로 인해 에너지를 잃는다. 이것은 분자의 냄새를 맡을 수 있는 능력을 낳는다.[35][36]

진동 이론은 어떤 실험적인 개념의 증거를 가지고 있지만,[37][38] 실험에서는 여러 가지 논란이 되는 결과가 있었다. 어떤 실험에서 동물들은 서로 다른 주파수의 분자와 같은 구조의 분자를 구별할 수 있는 반면,[39] 다른 실험에서는 사람들이 뚜렷한 분자 주파수로 인해 냄새를 구별하는 것을 알지 못한다는 것을 보여준다.[40] 하지만, 그것은 반증되지 않았고, 파리, 벌, 물고기 같은 인간 이외의 동물들의 후각에도 효과가 있는 것으로 나타나기도 했다.[citation needed]

비전

주요 기사: 시각광전도

시력은 광전도라고 불리는 과정에서 광신호를 작용 전위로 변환하기 위해 정량화된 에너지에 의존한다. 광선전도에서 광자는 광수용체에서 색소포레와 상호작용한다. 색소체는 광자를 흡수하고 광분화 과정을 거친다. 이러한 구조 변화는 광수용체 구조의 변화를 유도하고 그에 따른 신호 전달경로는 시각적 신호로 이어진다. 그러나 광분해 반응은 200 팜토초 미만의 빠른 속도로 발생하며 [41]높은 수율을 가진다. 모델은 이러한 효율을 달성하기 위해 지상 상태와 흥분 상태 잠재력을 형성하는 데 양자 효과를 사용할 것을 제안한다.[42]

양자 시각적 함의

실험 결과, 사람의 눈의 망막에 있는 센서가 하나의 광자를 감지할 수 있을 정도로 민감하다는 것이 밝혀졌다.[43] 단일 광자 검출은 여러 가지 다른 기술로 이어질 수 있다. 개발의 한 영역은 양자통신과 암호화에 있다. 망막을 '읽고' 개인을 식별하는 광자의 무작위 섬광으로 망막을 가로지르는 소수점 만을 이용해 눈을 측정하자는 취지다.[44] 이 생체 인식 시스템은 특정한 망막 지도를 가진 특정 개인만이 메시지를 해독할 수 있게 할 것이다. 이 메시지는 도청자가 적절한 지도를 추측하거나 메시지의 의도된 수신자의 망막을 읽을 수 있지 않는 한 다른 사람이 해독할 수 없다.[45]

효소 활성(퀀텀 생화학)

효소는 전자 운송 체인의 한 곳에서 다른 곳으로 전자를 전달하기 위해 양자 터널링을 사용하도록 가정되어 왔다.[46][47][48] 단백질 쿼터너리 아키텍처가 생물학적 실체에서 양자 터널링을 위한 두 가지 제한 요인인 지속적인 양자 얽힘과 일관성을 가능하게 하도록 적응했을 수 있다.[49] 이러한 아키텍처들은 전자 운송과 양성자 터널링을 통해 발생하는 양자 에너지 전달의 더 큰 비율을 차지할 수 있다(대개 수소 이온의 형태, H+).[50][51] 터널링은 아원자 입자가 잠재적 에너지 장벽을 통과해 이동하는 능력을 말한다.[52] 이 능력은 부분적으로 특정 물질이 측정 결과를 변경하지 않고서는 별도로 측정할 수 없는 성질의 쌍을 가지고 있다는 상보성 원리에 기인한다. 전자와 양성자와 같은 입자는 파동 입자 이중성을 가지고 있는데, 물리 법칙을 위반하지 않고 파동 특성 때문에 에너지 장벽을 통과할 수 있다. 많은 효소 활동에서 양자 터널링이 어떻게 사용되는지를 정량화하기 위해 많은 생물 물리학자들은 수소 이온의 관측을 이용한다. 수소 이온이 전달되면 이는 오르가넬의 1차 에너지 처리 네트워크에서 주식으로 간주된다. 즉, 양자 효과는 대개 부분 나노미터(~0.1nm)의 순서로 거리에 있는 양성자 분배 현장에서 작용한다.[53][54] 물리학에서는 양자 원소(예: 입자)에서 거시적 현상(예: 생화학적)으로 전이되기 때문에 이 과정을 정의할 때 반전위(SC) 접근법이 가장 유용하다. 수소 터널링 이외에도 양자 터널링을 통한 리독스 센터 간 전자 전달이 광합성 효소 활성과 세포 호흡에 중요한 역할을 한다는 연구 결과가 있다(아래 미토콘드리아 섹션 참조).[55][56] 예를 들어, 15–30 å의 순서로 전자 터널링을 하면 미토콘드리아의 콤플렉스 I, III, IV와 같은 세포 호흡 효소의 리독스 반응에 기여한다.[57][58] 양자 터널링이 없다면, 유기체들은 성장을 지속할 수 있을 만큼 충분히 빨리 에너지를 변환할 수 없을 것이다.[59] 양자 터널링은 실제로 입자 전달의 지름길로 작용한다; 양자 수학에 따르면, 장벽 앞에서 장벽의 반대쪽으로의 입자의 점프는 애초에 장벽이 없었던 경우보다 더 빨리 일어난다. (이것의 기술적인 것에 대해서는 하트만 효과를 참조하라.)

미토콘드리아

미토콘드리아와 같은 오르가넬은 세포내 에너지를 번역하기 위해 양자 터널링을 이용하는 것으로 생각된다.[60] 전통적으로 미토콘드리아는 화학 ATP의 형태로 세포의 에너지 대부분을 발생시키는 것으로 알려져 있다. 바이오매스를 화학 ATP로 전환하는 미토콘드리아는 60~70% 효율이 높아 기존의 인공 엔진보다 우수하다.[61] 화학적 ATP를 달성하기 위해서는 화학적 변환 이전의 예비 단계가 필요하다는 것을 연구자들은 발견했다; 이 단계는 전자와 수소 이온의+ 양자 터널링을 통해, 오르가넬 내에서 일어나는 양자 물리학에 대해 더 깊은 관찰을 필요로 한다.[54]

터널링은 양자 메커니즘이기 때문에 생물학적 시스템에서 입자 전달을 위해 이 과정이 어떻게 일어날 수 있는지를 이해하는 것이 중요하다. 터널링은 입자의 들어오는 에너지에 비해 전위 장벽의 형태와 크기에 크게 좌우된다.[62] 들어오는 입자는 파동 방정식에 의해 정의될 수 있기 때문에 그 터널링 확률은 기하급수적으로 잠재적 장벽의 모양에 따라 달라지는데, 이는 장벽이 매우 넓은 틈새와 비슷하면 들어오는 입자의 터널링 확률은 감소한다는 것을 의미한다. 어떤 의미에서 잠재적 장벽은 실제 생체 물질 장벽의 형태로 올 수 있다. 미토콘드리아는 세포막과 유사한 막 구조로 75 å (~7.5 nm) 두께의 순서로 둘러싸여 있다.[61] 미토콘드리아의 내막은 신호(전자, 양성자, H의+ 형태로)가 이미탄스(미토콘드리아 내부)와 수용부(즉 전자전달사슬 단백질)에서 전달되도록 극복해야 한다.[63] 입자를 전달하기 위해서는 미토콘드리아의 막이 인광질의 정확한 밀도를 가져야 문제의 입자를 끌어당기는 관련 전하 분포를 실시할 수 있다. 예를 들어, 더 높은 인광질 밀도의 경우, 그 막은 양성자의 전도성을 더 높이는 데 기여한다.[63]

좀 더 기술적인 설명을 위해서는 다음 단락이 유용하다. 미토콘드리아의 형태는 매트릭스로 알려져 있으며, 내측 미토콘드리아막(IMM)과 내측막공간(IMS)이 모두 다양한 단백질 부지를 수용하고 있다. 미토콘드리아는 탄수화물과 지방으로부터 수소 이온을 산화시켜 ATP를 생성한다. 이 과정은 전자 전송 체인(ETP)에서 전자를 이용한다. 전자수송의 계보는 다음과 같이 진행된다. NADH에서 전자들은 IMM.[64]Electrons에 단지에 위치해 있NADH탈수소 효소(나는 protein 복잡한)에 나는 CoQH2을 만드는 나아가 전자들 복잡한 IV으로 흐르cytochrome c; 복잡한 4로 전자들을 밀어낼 때 cytochrome-containing IMM 단백질(III 복잡한), 옆에, 전자 흐름 Qcoenzyme로 옮겨집니다 이관한다. t은ETC 호흡 체인의 최종 IMM 단백질 복합체.[64] 이 최종 단백질은 전자가 O2 분자의 산소를 단일 O로 줄여 수소 이온과 결합해 HO를2 만들 수 있도록 한다. ETC를 통한 전자의 움직임에서 생성된 에너지는 미토콘드리아 매트릭스에서 양성자 이동(H+ pumping)을 IMS로 유도한다.[58] 어떤 전하 이동도 자기장을 생성하기 때문에 IMS는 이제 매트릭스 전체에 걸쳐 정전용량을 수용한다. 캐패시턴스는 전위 에너지 또는 전위 장벽과 유사하다. 이 잠재적 에너지는 복잡한 V(ATP synthase)를 통해 ATP 합성을 유도하며, ADP는 다른 P와 혼동하여 양성자(H+)를 다시 매트릭스로 밀어넣어 ATP를 생성한다(이 과정을 산화인산화 인산화라고 한다). 마지막으로 외부 미토콘드리아막(OMM)에는 VDAC라고 하는 전압 의존형 음이온 채널이 있다.[64] 이 현장은 에너지 신호를 ATP 전송을 위한 전기 화학적 출력으로 변환하는데 중요하다.

자기감각

주요기사 : 자석감각

자석 감지란 동물들이 지구의 자기장 기울기를 이용하여 항해할 수 있는 능력을 말한다.[65] 자기감각을 위한 가능한 설명은 뒤얽힌 급진적인 쌍체 메커니즘이다.[66][67] 이 급진-페어 메커니즘은 스핀 화학에서 잘 확립되어 있으며, [68][69][70]슐텐 외 연구원에 의해 1978년에 자석 감각에 적용될 것으로 추측되었다. 싱글렛과 트리플렛 쌍의 비율은 얽힌 전자 쌍과 지구의 자기장의 상호작용으로 변화한다.[71] 2000년, 암호화는 자성에 민감한 급진적인 페어를 저장할 수 있는 "자기 분자"로 제안되었다. 유럽 로빈과 다른 동물 종의 눈에서 발견되는 플라보프로테이트인 크립토크롬은 동물에서 유일하게 광유발성 래디컬 페어를 형성하는 것으로 알려져 있다.[65] 그것이 가벼운 입자와 상호작용할 때, 크립토크롬은 리독스 반응을 거치게 되는데, 이것은 광 감소와 산화 과정에서 모두 급진적인 쌍을 만들어 낸다. 크립토롬의 기능은 종마다 다양하지만, 색소포레에서 전자를 흥분시키는 청색광에 노출되어 급진적인 페어의 광유도가 발생한다.[71] 자기감각은 어둠 속에서도 가능하기 때문에 메커니즘은 빛에 독립적인 산화 과정에서 발생하는 급진적인 쌍에 더 의존해야 한다.

연구소의 실험은 급진-페어 전자가 매우 약한 자기장에 의해 현저하게 영향을 받을 수 있다는 기본 이론을 뒷받침한다. 즉, 단지 약한 자기장의 방향만이 급진-페어의 반응성에 영향을 줄 수 있기 때문에 화학 제품의 형성을 "분석"할 수 있다. 이 메커니즘이 자석 인식과/또는 양자 생물학에 적용되는지, 즉 지구의 자기장이 급진적인 쌍성들의 도움으로 생화학 제품의 형성을 "분석"하는지는 두 가지 이유로 결정되지 않는다. 첫째는 이러한 과정에서 한몫을 하기 위해 급진-페어 메커니즘의 핵심 양자 특성인 급진-페어가 얽힐 필요가 없을 수 있다는 점이다. 얽히고 설킨 급진전 양상이 있다. 그러나 연구자들은 유럽인들이 자기장과[65] 급진-공기 화학 작용을 방해하는 무선 주파수에 노출되었을 때 더 이상 항해를 할 수 없을 때 자석 감각의 급진-공기 메커니즘에 대한 증거를 발견했다. 얽힘의 관여를 경험적으로 제안하기 위해서는 다른 급진적 집단을 방해하지 않고 뒤얽힌 급진 집단을 방해할 수 있는 실험이 고안되어야 하며, 또는 그 반대의 경우도 생체내 급진 집단에 적용되기 전에 먼저 실험실 환경에서 입증되어야 할 필요가 있을 것이다.

기타 생물학적 응용

생물학적 시스템에서 양자 현상의 다른 예로는 화학적 에너지를 운동으로[72] 전환하고 많은 세포 과정에서의 브라운 모터 등이 있다.[73]

생물학적 호밍.

생물학적 호밍은 생물학적 분자 쌍(60 Meggs WJ. 생물학적 호밍: 생명체의 존재로 이어지는 양자적 효과에 대한 가설. 의학 가설 1998;51:503.506.

생물학적 분자의 쌍을 무료로 하는 예로는 미생물에 대한 효소와 기질, 호르몬과 수용체, 항체와 표면 단백질 등이 있다. 무료 분자가 동일한 전하 분포를 가지지만 두 분자에서 양전하와 음전하가 역전되면 양자 상호작용의 확률은 전하 수의 제곱에 비례한다.

참조

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