Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Yossi Paltiel an der Hebräischen Universität Jerusalem mit Gruppen von HUJI, Weizmann und IST Austria hat eine neue Studie veröffentlicht, die den Einfluss des Kernspins auf biologische Prozesse aufdeckt. Diese Entdeckung stellt lang gehegte Annahmen in Frage und eröffnet spannende Möglichkeiten für Fortschritte in der Biotechnologie und Quantenbiologie.
Wissenschaftler glauben seit langem, dass der Kernspin keinen Einfluss auf biologische Prozesse hat. Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass sich bestimmte Isotope aufgrund ihres Kernspins anders verhalten. Das Team konzentrierte sich auf stabile Sauerstoffisotope (16O, 17O, 18O) und stellte fest, dass der Kernspin die Sauerstoffdynamik in chiralen Umgebungen, insbesondere seinen Transport, erheblich beeinflusst.
Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Tagungsband der National Academy of Sciences (PNAS)haben potenzielle Auswirkungen auf die kontrollierte Isotopentrennung und könnten die Kernspinresonanztechnologie (NMR) revolutionieren.
Prof. Paltiel, der leitende Forscher, zeigte sich begeistert über die Bedeutung dieser Ergebnisse. Er erklärte: „Unsere Forschung zeigt, dass der Kernspin eine entscheidende Rolle in biologischen Prozessen spielt, was darauf hindeutet, dass seine Manipulation zu bahnbrechenden Anwendungen in der Biotechnologie und Quantenbiologie führen könnte. Dies könnte möglicherweise Isotopenfraktionierungsprozesse revolutionieren und neue Möglichkeiten in Bereichen wie der NMR eröffnen.“ “
Die Geschichte im Detail
Forscher haben das „seltsame“ Verhalten winziger Teilchen in Lebewesen untersucht und dabei einige Orte gefunden, an denen Quanteneffekte biologische Prozesse verändern. Beispielsweise kann die Untersuchung von Quanteneffekten bei der Vogelnavigation einigen Vögeln helfen, sich auf langen Reisen zurechtzufinden. Bei Pflanzen wird die effiziente Nutzung des Sonnenlichts zur Energiegewinnung durch Quanteneffekte beeinflusst.
Diese Verbindung zwischen der winzigen Welt der Teilchen und Lebewesen reicht wahrscheinlich Milliarden von Jahren zurück, bis zu der Zeit, als das Leben begann und Moleküle mit einer besonderen Form namens Chiralität auftauchten. Chiralität ist wichtig, weil nur Moleküle mit der richtigen Form in Lebewesen die Aufgaben erfüllen können, die sie benötigen.
Der Zusammenhang zwischen Chiralität und Quantenmechanik wurde im „Spin“ gefunden, einer winzigen magnetischen Eigenschaft. Chirale Moleküle können aufgrund ihres Spins unterschiedlich mit Partikeln interagieren und so etwas erzeugen, das als Chiral Induced Spin Selectivity (CISS) bezeichnet wird.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass der Spin winzige Teilchen wie Elektronen in lebenden Prozessen beeinflusst, an denen chirale Moleküle beteiligt sind. Sie wollten herausfinden, ob der Spin auch größere Partikel wie Ionen und Moleküle beeinflusst, die die Grundlage für den biologischen Transport bilden. Deshalb führten sie Experimente mit Wasserteilchen durch, die unterschiedliche Spins hatten. Die Ergebnisse zeigten, dass der Spin das Verhalten von Wasser in Zellen beeinflusst, indem er mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten eindringt und auf einzigartige Weise reagiert, wenn chirale Moleküle beteiligt sind.
Diese Studie unterstreicht die Bedeutung des Spins für die Prozesse des Lebens. Das Verstehen und Kontrollieren von Spin könnte einen großen Einfluss darauf haben, wie Lebewesen funktionieren. Es könnte auch dazu beitragen, die medizinische Bildgebung zu verbessern und neue Wege zur Behandlung von Krankheiten zu schaffen.
Die Forschung war eine Gemeinschaftsarbeit von Wissenschaftlern verschiedener Institutionen, darunter des Institute of Earth Sciences and Life Sciences in Hebrew und des Weizmann Institute, wobei die Studie von der Abteilung für Angewandte Physik der Hebrew University geleitet wurde.
Mehr Informationen:
Vardi, Ofek et al, Kernspineffekte in biologischen Prozessen, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2300828120