Спин электронов влияет на движение протонов в живых системах
Протоны — основа биоэнергетики. Мы сталкиваемся с ними в быту, когда видим уровень pH на упаковках мыла или кремов.
Перенос протона в хиральной среде сопровождается поляризацией электронов. Благодаря CISS-эффекту эта электрическая поляризация создает спиновую (магнитную). Чтобы сохранить момент импульса, система генерирует хиральные фононы — они и ускоряют движение протона. Источник: Naama Goren
Но их способность перемещаться в биологических системах — ключевое условие жизни. Новое исследование впервые показало: перенос протонов зависит от спина электронов, если процесс происходит в хиральных (асимметричных) биологических структурах, например, в белках.
Результаты опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
Раньше считалось, что протоны просто «перепрыгивают» между молекулами воды и аминокислотами. Оказалось, всё сложнее: их движение связано с квантовыми эффектами. Спин электронов (их магнитная ориентация) влияет на подвижность протонов через возбуждение хиральных фононов — особых колебаний в кристаллической решетке. Это явление называют CISS-эффектом (Chiral Induced Spin Selectivity): молекулы с определенной „закрученностью“ избирательно взаимодействуют с электронами разного спина.
Эксперимент провели ученые из Еврейского университета в Иерусалиме вместе с коллегами из Института Вейцмана и Университета Бен-Гуриона. Они работали с кристаллами лизоцима — белка, который есть в слюне и слезах.
Раньше перенос протонов рассматривали только с точки зрения химии, — говорит Наама Горен. — Теперь ясно: здесь задействована квантовая физика.
Это открытие может привести к созданию технологий, копирующих биологические процессы, — добавляет профессор Йосси Палтиэль. — Например, мы научимся управлять передачей энергии в клетках.
Значение открытия
- Энергообмен в живых организмах оказался более управляемым, чем думали.
- Появились новые возможности для биотехнологий — от медицины до наноэлектроники.
Этот прорыв меняет представление о фундаментальных процессах жизни. Если раньше биоэнергетику объясняли классической химией, теперь в игру вступает квантовая механика.
Где пригодится результат исследования
- Медицина. Понимание роли спина поможет разработать препараты, точечно влияющие на клеточный метаболизм.
- Бионические технологии. Можно создать искусственные системы, имитирующие эффективность живых организмов.
- Квантовые сенсоры. Датчики на основе CISS-эффекта смогут детектировать малейшие изменения в биологических тканях.
Открытие дает инструменты для управления процессами, которые раньше считались стихийными.
Ранее ученые разработали протонную терапию, которая сокращает время лечения рака.
