Quantensprung im Verständnis biologischer Prozesse

EU-finanzierten Forschern ist es gelungen, per angewandter Quantenphysik mehr Licht in einige grundlegende biologische Prozesse zu bringen. Diese bahnbrechende Arbeit könnte im Endeffekt der Industrie Hilfestellung bei der Entwicklung effizienterer Technologien zum Einfangen von Licht und künstlicher Geruchssensoren geben.

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Grundlagenforschung

Das Projekt PAPETS (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) konzentrierte sich auf zwei zentrale biologische Prozesse: die Photosynthese - jenen Prozess, durch den grüne Pflanzen Sonnenlicht zur Synthese von Nährstoffen aus Kohlendioxid und Wasser nutzen - und den Geruchssinn, die Fähigkeit zur Erkennung und Unterscheidung verschiedener Gerüche. Zu verstehen, wie die Photosynthese auf der grundlegendsten Ebene arbeitet, könnte die Konzipierung von Solarzellen mit wesentlich höherem Wirkungsgrad ermöglichen, während bessere künstliche Geruchserkennungstechnologien in der Lebensmittel-, Wasser-, Kosmetik- oder Pharmazeutikaindustrie zum Nachweis von Verunreinigungen oder Verschmutzungen eingesetzt werden könnten. Lektionen aus der Natur „Im Gegensatz zum Sehen, Hören oder Berühren ist es schwierig, den Geruchssinn bei hoher Effizienz künstlich zu reproduzieren“, erläutert PAPETS-Projektkoordinator Dr. Yasser Omar vom Instituto de Telecomunicações in Portugal. „Wir konnten beweisen, dass die internen Vibrationen eines Moleküls eine Signatur seines Geruchs darstellen, wobei wir glauben, dass dies das Tunneln von Elektronen beinhalten könnte.“ Die mit Hilfe exakter wissenschaftlicher Experimente und Untersuchungen am Verhalten von Drosophila-Fliegen erreichten Erkenntnisse wurden dann in verschiedenen wissenschaftlichen Ausstellungen vorgeführt, um die komplexen wissenschaftlichen Themen einem breiten Publikum zu vermitteln. „Unsere Exponate lieferten eine geführte und interaktive Erklärung der Wahrscheinlichkeit, dass unser Geruchssinn Vibrationen von Geruchsstoffen einsetzt, um Düfte zu unterscheiden“, erklärt Omar. „Wir lassen die Besucher Duftstoffe von gleicher Struktur riechen, die aber mit verschiedenen Graden an Wasserstoffisotopen angereichert sind. Diese Verbindungen haben eine ähnliche Form, schwingen jedoch bei verschiedenen Frequenzen. So konnten diejenigen, welche die Isotopen unterscheiden konnten, die Moleküle riechen, die eine sehr ähnliche Form haben, aber anders schwingen – und faktisch rochen sie Schwingungen!“ Einen weiteren Projektdurchbruch stellte die Untersuchung eines vibronischen Mechanismus dar, der erklärt, auf welche Weise Energie in photosynthetischen Komplexen transportiert wird. Man stellte fest, dass er eine wesentliche Rolle im Ladungstrennungsprozess bei der organischen Photovoltaik spielt, und die Resultate wurden im Dezember 2016 in der Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht. „Das deutet darauf hin, dass das aus der Studie zur Photosynthese entwickelte Konzept der vibronischen Kopplung zur Verbesserung von Solarzellen eingesetzt werden könnte“, berichtet Omar. Im Rahmen des Projekts untersuchte man außerdem, wie photosynthetische Organismen filigrane Antennen verwenden, um Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen. Nach dem Einfangen des Lichts wird dessen Energie schnell innerhalb der Antenne übertragen, so dass die Funktionsfähigkeit trotz des Agierens in einer variablen Umgebung erhalten bleibt. Das Projektteam war in der Lage, diesen Prozess erstmalig genau aufzuzeichnen. Diese einzigartigen Einblicke könnten im Endeffekt bei der Gestaltung von künstlichen Solarantennen zur Anwendung kommen. Angewandte Quantenphysik Möglich wurden diese Durchbrüche dank der Anwendung der Quantenphysik und insbesondere des Prinzips der „Superposition“. Es legt fest, dass sich der Zustand eines Teilchens als eine Überlagerung von zwei verschiedenen, gleichzeitigen Zuständen beschreiben lässt. Superposition ist, auch wenn das Ganze dem nichtfachkundigen Betrachter ziemlich verrückt erscheint, eine solide Wissenschaft. Superposition trägt zu einem effizienteren Energietransport bei“, bekräftigt Omar. „Ein Exziton, ein Energie enthaltendes Quanten-Quasiteilchen, kann aufgrund der Tatsache, dass es verschiedene Wege gleichzeitig durchquerenkann, entlang des photosynthetischen Komplexes schneller übertragen werden. Überraschend und spannend ist, dass diese Quanteneffekte in biologischen Komplexen beobachtet wurden, die große, nasse und verrauschte Systeme sind. Superposition ist eher fragil und wir würden eigentlich erwarten, dass sie von der Umwelt zerstört wird.“ Das PAPETS-Projekt, das im November 2016 abgeschlossen wurde, hat dazu beigetragen, das Wissen über die Rolle der Quanteneffekte in biologischen Prozessen, im Einzelnen bei der Photosynthese, zu mehren und die gewonnenen Erkenntnisse haben wichtige praktische Anwendungen gefunden. Somit bleibt die Grenze zwischen Biologie und Quantenphysik ein Gebiet, das reich an unentdeckten wissenschaftlichen Kostbarkeiten ist.

Schlüsselbegriffe

PAPETS, Photosynthese, Energie, biologisch, Quant, Superposition, Wasser, Kohlendioxid

Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing

Quantensprung im Verständnis biologischer Prozesse

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