Les protons sont à la base de la bioénergétique. La capacité de les déplacer à travers les systèmes biologiques est essentielle à la vie. Une nouvelle étude dans Actes de l'Académie nationale des sciences montre pour la première fois que le transfert de protons est directement influencé par la rotation des électrons lorsqu'il est mesuré dans des environnements biologiques chiraux tels que les protéines. En d'autres termes, le mouvement des protons dans les systèmes vivants n'est pas purement chimique; Il s'agit également d'un processus quantique impliquant un spin électronique et une chiralité moléculaire.
Le processus quantique affecte directement les petits mouvements de l'environnement biologique qui soutiennent le transfert de protons. Cette découverte suggère que l'énergie et le transfert d'informations dans la vie sont plus contrôlés, sélectifs et potentiellement réglables qu'on ne le croyait auparavant, pontant la physique quantique avec la chimie biologique et l'ouverture de nouvelles portes pour comprendre la vie à son niveau le plus profond – et pour la conception de technologies qui peuvent imiter ou contrôler les processus biologiques.
Le travail, dirigé par une équipe de chercheurs de l'Université hébraïque de Jérusalem collaborant avec le professeur Ron Naaman de l'Institut Weizmann des sciences et le professeur Nurit Ashkenasy de l'Université Ben Gurion, révèle un lien surprenant entre le mouvement des électrons et des protons dans les systèmes biologiques.
Dirigée par Naama Goren et le professeur Yossi Paltiel du Département de physique appliquée et du Nano Center, avec le professeur Nir Keren et Oded Livnah de l'Institut des sciences de la vie de l'Université Hebrew, l'équipe a découvert que dans certains cristaux biologiques, comme Lysozyme (une enzyme trouvée dans de nombreux organes vivants), les minuscules appelés Electrons et les protons ne se déplacent pas.
Le transport des protons est crucial pour de nombreux processus de vie, tels que la façon dont les cellules produisent de l'énergie. Jusqu'à présent, il était largement cru que les protons se déplaçaient principalement en sautant entre les molécules d'eau et les acides aminés. Mais la nouvelle étude montre que ce mouvement est également lié à la rotation des électrons – une propriété quantique qui décrit comment les électrons se comportent comme de minuscules aimants.
Les chercheurs ont démontré que lorsqu'ils ont injecté des électrons avec une rotation spécifique dans les cristaux de lysozyme, cela a considérablement changé la facilité avec laquelle les protons pouvaient se déplacer dans le matériau.
Lorsque des électrons avec le rotation opposée ont été injectés, le mouvement des protons était sensiblement entravé. Cet effet est lié à l'excitation des phonons chiraux – les vibrations dans le réseau cristallin – qui médient le couplage entre la rotation des électrons et la mobilité des protons.
Cette découverte est liée à un phénomène connu sous le nom de l'effet de sélectivité de spin induite par chiral (CISS), qui explique comment les molécules chirales (ou « remises ») – des molécules qui ont une torsion ou une forme spécifique – divergent différemment avec les spins électroniques.
« Nos résultats montrent que la façon dont les protons se déplacent dans les systèmes biologiques ne sont pas seulement une question de chimie – il s'agit également de physique quantique », a déclaré Goren. « Cela ouvre de nouvelles portes pour comprendre comment les informations et l'énergie sont transférées à l'intérieur des êtres vivants. »
Le professeur Paltiel a ajouté: « Cette connexion entre le spin électronique et le mouvement des protons pourrait conduire à de nouvelles technologies qui imitent les processus biologiques, et même de nouvelles façons de contrôler le transfert d'informations à l'intérieur des cellules. »
En pontant les mondes de la physique quantique et de la biochimie, les recherches de l'équipe de l'Université hébraïque fournissent de nouveaux informations sur le fonctionnement interne de la vie et pourraient ouvrir la voie aux innovations en médecine, en énergie et en nanotechnologie.
