Κατά τη διάρκεια του διδακτορικού του στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης, ο Nikhil Malvankar ήταν πλήρως αφοσιωμένος στη μελέτη της κβαντομηχανικής και της κίνησης των ηλεκτρονίων σε υπεραγωγούς. Σήμερα, ως καθηγητής στο Yale και καταγόμενος από τη Βομβάη της Ινδίας, έχει στραφεί προς τη βιολογία, αναζητώντας εξηγήσεις για το πώς τα βακτήρια αναπνέουν βαθιά στο υπέδαφος χωρίς τη βοήθεια οξυγόνου.
Όπως και άλλοι επιστήμονες, η πορεία του Malvankar εξελίχθηκε ώστε να συνδυάζει διαφορετικά επιστημονικά πεδία, παντρεύοντας τις θεωρίες της βιολογίας και της φυσικής για να εξηγήσει φαινόμενα του φυσικού κόσμου.
Μέχρι σήμερα, το εργαστήριό του στο Yale Microbial Sciences Institute έχει ανακαλύψει το εξελικτικό τέχνασμα που χρησιμοποιούν τα βακτήρια για να «αναπνέουν» μέσω μικροσκοπικών πρωτεϊνικών νημάτων, γνωστών ως νανοσύρματα, τα οποία τους επιτρέπουν να αποβάλλουν περίσσεια ηλεκτρόνια από τη μετατροπή οργανικών αποβλήτων σε ηλεκτρική ενέργεια.
Η προσαρμογή αυτή επιτρέπει στα βακτήρια να μεταφέρουν ηλεκτρόνια σε αποστάσεις 100 φορές μεγαλύτερες από το μέγεθός τους, με μια διαδικασία που οι ερευνητές αποκαλούν «βακτηριακό αναπνευστικό αναπνευστήρα» (bacterial snorkeling).
Η επιστροφή στην κβαντική θεωρία
Από τη βάση του στο West Campus του Yale, το εργαστήριο του Malvankar είχε ήδη αποκαλύψει τη λειτουργία και τις ατομικές δομές των νανοσύρματων. Ωστόσο, για να εξηγήσει την ταχύτητα με την οποία κινούνταν τα ηλεκτρόνια, ο Malvankar βρέθηκε να επιστρέφει στις ρίζες του – στον κόσμο της κβαντικής θεωρίας.
«Η βιολογική θεωρία απλώς δεν μπορούσε να εξηγήσει την ταχύτητά τους», εξήγησε ο αναπληρωτής καθηγητής μοριακής βιοφυσικής και βιοχημείας. «Ή οι μετρήσεις μας ήταν λανθασμένες ή χρειαζόμασταν μια νέα θεωρία.»
Τα ηλεκτρόνια «σερφάρουν» και όχι «πηδούν»
Σε πρόσφατη συνεργασία με τον William Parson από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, η ομάδα ανακάλυψε ότι οι ρυθμοί διακύμανσης των πρωτεϊνών ήταν εκατομμύρια φορές πιο αργοί από την κίνηση των ηλεκτρονίων, γεγονός που υποδεικνύει ότι τα ηλεκτρόνια «σερφάρουν» πάνω σε κύμα αντί να «πηδούν» σαν σωματίδια.
Το άρθρο, με συγγραφείς τους William Parson, τον πρώην διδακτορικό φοιτητή του Yale Peter Dahl και τον Malvankar, δημοσιεύθηκε ως εξώφυλλο στο The Journal of Physical Chemistry Letters.
«Μέχρι τώρα θεωρούσαμε ότι τα ηλεκτρόνια υπάκουαν στους κλασικούς νόμους του Νεύτωνα – όπως μια μπάλα του τένις που αναπηδά και πάντα επιστρέφει. Αντί γι’ αυτό, παρατηρήσαμε ηλεκτρόνια να συμπεριφέρονται σαν ενεργειακά κύματα που μπορούν να ταξιδεύουν γρήγορα και συνεκτικά μέσα από το υλικό, ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου.»
Κβαντική αναπνοή – μία πρωτιά στη βιολογία
Τα ευρήματα θεωρούνται μεταξύ των πρώτων που παρατηρούν κβαντομηχανική σε διαδικασία αναπνοής, με σημαντικές επιπτώσεις στον τομέα της κβαντικής ανίχνευσης και υπολογιστικής.
«Με εξαίρεση διαδικασίες όπως η φωτοσύνθεση, όπου το φως μετακινείται πολύ γρήγορα αλλά σε πολύ μικρή απόσταση, η γενική πεποίθηση είναι ότι ο βιολογικός κόσμος είναι ένα πολύ θορυβώδες και εχθρικό περιβάλλον που ουσιαστικά καταστρέφει οποιοδήποτε κβαντικό φαινόμενο», είπε ο Malvankar.
«Συνήθως, δεν σκεφτόμαστε την κβαντομηχανική στη βιολογία, επομένως αυτό είναι μια μεγάλη έκπληξη.»
Η φύση ως οδηγός για τους κβαντικούς υπολογιστές
«Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τους κβαντικούς υπολογιστές, επειδή μπορούν να αποθηκεύουν και να επεξεργάζονται τεράστιες ποσότητες δεδομένων. Αλλά αυτό απαιτεί τα ηλεκτρόνια να επικοινωνούν μεταξύ τους και προς το παρόν αυτό μπορεί να συμβεί μόνο σε θερμοκρασίες κάτω από τους -500 βαθμούς Φαρενάιτ, κάτι που είναι εξαιρετικά δαπανηρό.»
«Αλλά η φύση συχνά έχει πολύ απλές λύσεις σε πολύπλοκα προβλήματα.»
«Σε αυτά τα βακτήρια, μετράμε κβαντικά φαινόμενα σε θερμοκρασία δωματίου. Αν μπορούμε να μάθουμε από τη φύση την ίδια και να συνδυάσουμε τη γνώση μας στην κβαντομηχανική και τη βιολογία, μπορούμε να αρχίσουμε να εφαρμόζουμε τις ίδιες αρχές για να κάνουμε το επόμενο άλμα στην κβαντική υπολογιστική.»
More information: William W. Parson et al, Coherent Electron Transfer in Cytochrome Nanowires at 300 K, The Journal of Physical Chemistry Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.jpclett.5c01339
Journal information: Journal of Physical Chemistry Letters
Provided by Yale University
