Kvantbioloogia“tondimaailm”

Arvi FreibergTÜ Füüsika Instituut

TÜ Molekulaar- ja Rakubioloogia Instituut

EFS Täppisteaduste suvekool18.-20. juuni 2010 Pärlseljal

Õiendus pealkirja asjas

• Pealkiri on tõlkelaen aadressilt: http://www.hplusmagazine.com/articles/bio/spooky-world-quantum-biology

• Vihje Einstein-Rosen-Podolsky kvant-vastastikmõjude mittelokaalsuse paradoksile (1935)

http://www.hplusmagazine.com/articles/bio/spooky-world-quantum-biologyhttp://www.hplusmagazine.com/articles/bio/spooky-world-quantum-biology

Millest jutt?

• Motivatsioon: Miks selline teema?• Enne sõtta minemist tuleb vaenlast

tundma õppida: Kvantfüüsika erijooni• Pro/con argumente elu

kvantfüüsikalise päritolu kohta• “Lihtne” näide meie endi otsingutest

kvant/klassikalise füüsika piirimail• Füüsikainstituudi biofüüsika labor

Miks selline teema?

• Bioloogia on• suur• soe• märg• mürarikas

• Kvantefektid avalduvad– mikromastaapides– absoluutse 0

lähedastel temperatuuridel

– kui energiakvandid on suured võrreldes kBT

– gaasides ja tahkistes, kuid reeglina vedelikes mitte

Füüsika

Bioloogia

Suur pilt

• See G. W. Bushi teadusnõuniku J.Marburgeri joonisel põhinev graafik võrdleb erinevaidteadusvaldkondiskaalal suurus-suhteline keerukus

• Tegelikult on valdkondade piirid üsna ähmased ja eri valdkonnad kohati kattuvad– biokeemia– bioloogiline füüsika

Motivatsioon• Elu (ja bioloogia kui elusainet uuriva

teaduse) olemust pole puhtalt klassikaliste mudelitega õnnestunud rahuldavalt seletada

• Kõrgemal organisatsioonilisel tasandil ilmnevad kvalitatiivselt uued omadused (emerging properties),mida pole võimalik madalama taseme seaduspärasustest otse tuletada

• Keeruliste organismide kujunemine ühestainsast rakust (inimesel ~1013 rakku, ~109 aminohapet rakus)

• Elu ja teadvuse tekkimine algselt elutus Universumis

• Põhimõtteline küsimus:Kas elu seadused (kui need peaks kunagi leitama) tulevad klassikalisest või kvantfüüsikast?

Teema on igatahes popJoe, kelle seljalt sellise tätoveeringu leiab, on ametilt biokeemik ja molekulaar-biofüüsik

Argumente elu kvantfüüsikalineolemuse kohta

• Maailm lihtsalt onkvantmehhaaniline. Kvantteooria on fundamentaalne mudel, klassikaline füüsika vaid selle lähendus parameetrite valitud piirkonnas

• Elu/bioloogia on molekulaarne. Molekulide keemia allub kvantmehhaanilistele printsiipidele nagu Pauli tõrjutusprintsiip, Heisenbergi määramatus jne

• Darwini/Mendeli päritavuse alus geneetiline kood on diskreetne(valkude aminohapped kodeeritakse nuklotiididetriplettidena). Diskreetsus on kvantfüüsika “näpujälgi”

• Valke kui elu ehituskive eristavadkonformatsioonilisedfluktuatsioonid erinevates ajadiapasoonides

• Selle funktsionaalse dünaamika aluseks on nõrgad kvantmehhaanilised Londoni jõud (tugevad kulonilised jõud taanduvad väidetavalt välja)

• Samad jõud juhivad selliseid elutähtsaid protsesse nagu immuunreaktsioonid, rakkude jagunemine jne

• Järeldus: Kvantmehhaanika on seega paratamatult elu masinavärgi loomulik osa

• Bioloogia on • warm• wet• noisy

• Dekoherentsi aeg isegi tsütoskeletoni hästiorganiseeritud mikrotuubulites on ~10-20 s

• Ülalmainitud valkudekonformatsioonilinedünaamika on hästi seletatav klassikalise füüsikaga

• Kvantmehhaanika pole siiani andnud midagi kvalitatiivselt uut bioloogia molekulaarsetest mehhanismidest arusaamiseks– Kvantitatiivses mõttes on

kvantmehaanika siiski väga kasulikuks osutunud, võimaldades jõudude/mõjude täpset väljarehkendamist

Vastuväiteid

Lootus sureb viimasena

• Kõrgtemperatuursete ülijuhtide olemasolu tõestab, et kollektiivsed kvantnähtused “elavad üle” suhteliselt kõrgeid temperatuure

• Väide,et kvantefektid avalduvad vaid suurtel energiatel võrreldes kT-ga, võib lihtsalt ekslik olla

• Väljapakutud pääseteed (seni katselise tõestuseta)– Biosüsteemide eriline

arhitektuur võib keskkonna mõju ekraneerida (decoherence-free subspaces)

– Avatud, kaugel termodünaamilisest tasakaalust olevad, biosüsteemid võivad tavapärasest erinevalt käituda

– Biosüsteemides toimib spontaanne vigade parandus

Kvantfüüsika “näpujälgi”• Diskreetsus: Piiratud liikumisega

kvantsüsteemi energia on diskreetne. Kvantmehhaanika on oma olemuselt digitaalne

• Superpositsiooniprintsiip: Üksteist välistavate olekute kooseksistents

• Laine-osake dualism: Mateerialained

• Osakeste kvant-tunneleerumine• Dualism kvant-juhuslikkusse ja

determinismi vahel: Kvantsüsteemi mõõtmise tulemus on tõenäosuslik (objektiivne reaalsus või subjektiivselt puudulik teave maailma kohta?)

HFSP Journal 3 (2009) 386

Mittetriviaalsed kvantnähtused

• Põimunus/sassis (entangled) olekud– Termin Schrödingerilt 1935

• Sassis olekud on superpositsiooniprintsiibi järelm, kui osakesi on rohkem kui üks

• Sassis olekutel puudub klassikaline analoog

• Mõõtmisel sassis olekud taanduvad klassikalisteks olekuteks

Sassis olekutega seonduvad sellised nähtused nagu

Kvant-mittelokaalsus

Kvant-teleportatsioonLainefunktsioonide suur raadius tähendab, et esineb väike, kuid 0-st erinev tõenäosus, et ühel päeval ärkate üles hoopis teisel planeedil kauges galaktikas

Kvant-krüptograafia

Kvant-arvutid

Ülitihe infopakkimine

Kvantarvutavad mikrotuubulid?

• Stuart Hameroff & Roger Penrose’i hüpotees (~1990):Teadvuse toimimise aluseks on ajurakkude mikrotuubulitestoimuvad “kvantarvutused”

• Kriitika (Max Tegmark): Ebareaalselt lühikesed koherentsiajad

• Kvantarvutid vajavad infoolekute (q-bittide) superpositsiooni, mis interakteeruvad/arvutavad mittelokaalselt

• Mõõtmisel sassis olekud taanduvad klassikalisteks olekuteks

25 nm

Miks on kvantefektid bioloogias raskesti jälgitavad?

• Plancki konstant ~0– Sellepärast on ka nt 1 m/s

kiirusega liikuva täiskasvanud inimese de Broglie lainepikkus vaid ~10-35 m (p=h/λ)

• Faasid keskmistuvad NAosakesega keskkonnaga interaktsiooni tõttu väga kiiresti

• Sama kehtib sassis olekute dekoherentsikohta

• Biomaterjalide kvantefektide jälgitavus ruumis (ruumilinedelokalisatsioon) on seetõttu piiratud mõne nanomeetriganing ajas (ajaline koherents) mõnesaja femtosekundiga

Superpositsiooniprintsiip ja laine-osake dualism kehtib ka biomolekulide jaoks

• Footonite kahe pilu katse (Young 1801)

• Elektronide interferents(Davisson, Germer, Thomson1927)

• Tänaseks on kvant-interferentsi jälgitud

• aatomitel• (bio)molekulidel (Zeilingeri

grupp 2003)• Bose-Einsteini kondesaatidel

(kuni 106 aatomit)

• Järge ootavad viirused ja bakterid, mis sisaldavad >109aatomit

2003

1999

2 2 1

surnuel dkass usα β

α β+

+

=

=

Kvantfüüsika ja bioloogia järk-järguline lähenemine

• Frank, Teller, Oppenheimer: eksitonid fotosünteesis 1938-1942

• Schrödinger: What is Life? 1944

• Pauling: valkude ehituse kvantmehhaaniline mudel 1951

• Fröhlich: koherentsed ergastused bioloogias 1968

• Davõdov: solitonid 1979• Abbot et al. Quantum

Aspects of Life. Imperial College Press, 2008

• Footonite kvantüleminekud– Fotosüntees– Nägemine– Bioluminestsents

• Elektroni/prootoni tunneleerumine– Fotosüntees– Ensümaatilised reaktsioonid– Haistmine

• Lindude/putukate magnetnavigatsioon• Kvant-Browni mootorid rakuprotsessides• Casimiri efekt

Tõestatud bioloogilisi kvantnähtusi võib ühe käe sõrmedel üles lugeda!

Quantum Secrets of Photosynthesis Revealed (April 12, 2007)

• 2-D electronic spectroscopy developed in the research group of Berkeley Lab’s Graham Fleming enables scientists to follow the flow of light-induced excitation energy through molecular complexes with femtosecond temporal resolution. In this 2-D electronic spectrum, the amplitude of the quantum beating signal for exciton 1 is plotted against population time. The black line covers the exciton 1 peak amplitude at 77K.

Fotosüntees: Taimed, vetikad & bakterid

Taimede ja vetikate fotosünteesiaparaat

Valgustundlik agent: klorofüll

Casimiri efekt (1948): Jõud mitte-millestki

• Lähedalasuvate kehade vahel ilmneb kvantiseeritud elektromagneetilise välja null-võnkumiste fluktuatsioonidest tingitud jõud – 10 nm kaugusel asuvatele

molekulidele mõjub rõhk ~1 atm

• Põhjendab van der Waalsi jõude/interaktsioone

Kloroplasti sisevaade, kus on nähatülakoidmembraanid

Bakterite aparaat erineb taimede omast

Antennides ja antennide vahellevivad eksitonid peegeldavad

fotosünteesi kvantolemust

Eksitonid peegeldavad fotosünteesi kvantolemust

• H. Sumi (2001): Bacterial photosynthesis begins with quantum-mechanical coherence

• Molekulaarsed eksitonid (Frenkel 1931)

• Fotosünteetilised eksitonid (Franck, Teller, Robinson, Knox, Pearlstein, Small, Sauer, Schulten, Novoderezhkin, Fleming, van Grondelle)

Yakov I. Frenkel (1894-1952)

Mis on eksiton?• Valgusega ergastatav

kvaasiosake (reeglina) regulaarses keskkonnas (dielektrik, pooljuht)

• Iseloomustab – energia(spekter)– efektiivne mass – liikumine/kvaasiimpulss– koherents– jne.

2 2 1

surnuel dkass usα β

α β+

+

=

=

aex>> aLaex

Eksitonide energiaspekter

1 2

2V12ε1ε2

Dimeer Tahkis

HOMO

LUMO

Ringikujulise antenni-eksitoni energiaspektri kvantstruktuur

2 1 0 -1 -2 -30

2

4

6

8760 780 800 820 840 860 880

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

DO

S

Exciton energy (V units)

Abs

orba

nce

(a.u

.)

3 5

( )( )3m n m mn n mnmnmn mn

R RV fR Rμ μ μ μ⎛ ⎞

= −⎜ ⎟⎝ ⎠

760 780 800 820 840 860 8800 ,0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 ,4

Fluo

resc

ence

ani

sotro

py

W ave leng th (nm )

0 ,0

0 ,5

1 ,0

1 ,5

LH 2

Abs

orba

nce

(a.u

.)

Timpmann et al. CPL (2004)

Meie panus fotosünteetiliste eksitonide idee kinnistamisse

• Eksitonide keskmise eluea määramine funktsionaalses membraanis (1983)

• Mittehomogeensuse olulise mõju tuvastamine eksitonide spektritele (1988)

• Eksitoni relaksatsioonikiiruse määramine (2000)

• Eksiton-polaron mudel (2003)• Eksitontsooni laiuse (st ka

eksitonenergia) katseline kindlakstegemine (2004)

• Eksiton-foononinteraktsiooni sõltuvus mittehomogeense spektri asukohast (2004)

June 2010

“Lihtne” fundamentaalne küsimus

• Kas fotosünteetilised eksitonid “elavad üle” füsioloogiliste temperatuuride põrgukuumuse?

• Otsekohene vastus: Kui antenni-eksitonide kvantstruktuur säilib, siis jah, kui ei säili, siis mitte

• Katse

Mihkel Pajusalu magistitöö 2010

Katse ja mudeli võrdlus

• Järeldus: Fotosünteetiliste fotoergastuste kvantomadused on olulised samuti füsioloogilistel temperatuuridel ning statsionaarsete seisundite puhul!

Mihkel Pajusalu magistitöö 2010

V~350 cm-1

2010

• Arvi Freiberg• Erko Jalviste

ülikiire spektroskoopia• Liina Kangur

biokeemia• Veera Krasnenko

kvantkeemia• Kristjan Leiger

kõrgete rõhkude füüsika• Margus Rätsep

kõrglahutusspektroskoopia• Kõu Timpmann

ülikiire spektroskoopia• Hain Salujärv

insener• Mihkel Pajusalu -

doktorant to be• Mikk Välbe - doktorant http://www.fi.tartu.ee/labs/bfl/?lang=est

Füüsikainstituudi biofüüsika labor

Mida & kuidas me püüame?• Fotosünteesi

molekulaarprotsessid• Elektron-foonon

vastastikmõju biosüsteemides

• Üksik vs molekulide ansambli käitumine

• Keemiliste sidemete tekitamine ja lõhkumine hüdrostaatilise rõhu toimel

• Valkude stabiilsuse termodünaamilised alused

• Interaktsioonid biomembraanis

• Selektiivspektroskoopia– Spektraalne

augusälkamine (SHB)– Diferentsiaalne

fluorestsentsi-kitsenemine (ΔFLN)

• Femto-pikosekund-spektroskoopia

• Kõrged rõhud• Laserpintsetid• Kvantmehhaanilised ja

kavantkeemilised mudelid

Tõenäoliselt parimad klorofülli spektrid maailmas!

0 200 400 600 800

4.5 K

0 400 800 1200 1600

TEA 5-coord

TEA 6-coord

diethyl ether

1-propanol

Frequency (cm )

345

405 565 72

8

891

1018

1116

1289

1378

1537

1650

BChl-a: TEA 6-coord(a)

(b)

FLN

ΔFL

NΔ

345

565

728

891

405

776

84

191

167

256

239

214

1156

-1

623

21

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Frequency (cm )

FLN

4.5 Kexcitation 685.8 nm

real-PSB

phonon wing

-1

1187

743 13

24

352

519

573

1530

1655

914

986

262 1

224

1146

390

93

800 10

45

1388

1435

189

Δ

Phonon part

Vibronic part

Chl-a in 1-propanol

@ 8 cm-1 resolution, the ZPL at spectral origin is truncated @ 2-3% level

Ülikiire spektrokronograafia

Fotosünteetiliste eksitonideautolokalisatsiooni kineetika

Timpmann et al. JPC B 104 (2000) 9769

0 1 2 3 4 5 6

845

850

855

Complexes Membranes

Posit

ion

(nm

)

Delay time (ps)

Spektroskoopia teemantalasite vahel

Krüogeenne vesrsioon tööks temperatuuride vahemikus 10-300K

Valkude rõhuresistentsuse termodünaamiline analüüs

RTV

PK Δ

−=δ

δ ln

ν νν νΔ − Δ Δ

= − +Δ − Δ

0p alg 0

lõpp p

Vln p lnKRT

0 1000 2000

0

200

400

600

P50

LH13 mM DHPC

Peak

shi

ft re

lativ

e to

mem

bran

es (c

m-1)

Pressure (MPa) 0 1000 2000

-10000

0

10000

3 mM DHPC 16.05.2008[22.04.2010 17:49 "/Graph4" (2455308)]Linear Regression for ANDMED_A:Y = A + B * X

Parameter Value Error------------------------------------------------------------A -18498.937 1304.142B 15.624 1------------------------------------------------------------

R SD N P------------------------------------------------------------0.969 1979.3 18

Laserpintsett bioobjektide hoolivaks käsitlemiseks

Perspektiiv

• Aeg on küps– bioloogia ja kvantfüüsika vahekorra tõsiseks

järelekatsumiseks– otsimaks mittetriviaalseid kvantefekte bioloogias

• H. Wieseman: A non-trivial quantum effect in biology is something that will make biologist to go out and takea second year quantum mechanics course

• Korralik haridus ja väljaõpe kvantmehhaanikas ning üldiselt füüsikas on hea alus edukaks karjääriks eluteadustes 21. sajandil

Valik kirjandust edasipürgijale

• A.S. Davydov. Biologia i kvantovaja mehanika (Naukovo Dumka 1979; tõlge ik 1982)

• D. DeVault. Quantum mechanical tunnelling in biological systems. Quat.Rev. Biophys. 13 (1980) 387

• A.S. Davydov. Solitons in Molecular Systems (Reidel 1985)• H. Van Amerongen et al. Photosynthetic Excitons (World Scientific 2000)• S. Lloyd. Programming the Universe (Jonathan Cape 2006)• G.D. Scoles, G. Rumbles. Excitons in nanoscale systems. Nature

Materials 5 (2006) 686• D. Abbott et al. Quantum Effects of Life (Imperial College Press 2008)• A. Laisk et al. Photosynthesis in silico (Springer 2009)• M. Arndt et al. Quantum physics meets biology. HFSP Journal 3 (2009)

386• D.P. Sheenan. Casimir chemistry. J. Chem. Phys. 131 (2009) 104706

Kvantbioloogia “tondimaailm”Õiendus pealkirja asjasMillest jutt?Miks selline teema?Suur piltMotivatsioonTeema on igatahes popArgumente elu kvantfüüsikaline olemuse kohtaVastuväiteidLootus sureb viimasenaKvantfüüsika “näpujälgi”Mittetriviaalsed kvantnähtusedKvantarvutavad mikrotuubulid?Miks on kvantefektid bioloogias raskesti jälgitavad?Superpositsiooniprintsiip ja laine-osake dualism kehtib ka biomolekulide jaoksKvantfüüsika ja bioloogia �järk-järguline lähenemineTõestatud bioloogilisi kvantnähtusi võib ühe käe sõrmedel üles lugeda!Quantum Secrets of Photosynthesis Revealed (April 12, 2007) Fotosüntees: �Taimed, vetikad & bakteridTaimede ja vetikate fotosünteesiaparaatCasimiri efekt (1948): �Jõud mitte-millestkiEksitonid peegeldavad fotosünteesi kvantolemustMis on eksiton?Eksitonide energiaspekterRingikujulise antenni-eksitoni �energiaspektri kvantstruktuurMeie panus fotosünteetiliste eksitonide idee kinnistamisse“Lihtne” fundamentaalne küsimusKatse ja mudeli võrdlusFüüsikainstituudi biofüüsika laborMida & kuidas me püüame?Tõenäoliselt parimad klorofülli spektrid maailmas!Ülikiire spektrokronograafiaFotosünteetiliste eksitonide autolokalisatsiooni kineetikaSpektroskoopia teemantalasite vahelValkude rõhuresistentsuse termodünaamiline analüüs Laserpintsett bioobjektide hoolivaks käsitlemiseksPerspektiivValik kirjandust �edasipürgijale