Ein einzigartiger Quanteneffekt in der Biologie könnte der Schlüssel zum Verständnis eines häufigen Alzheimer-Markers sein, aktuelle Annahmen über die Krankheit in Frage stellen und die Suche nach einem Heilmittel unterstützen.
Amyloidfibrillen sind faserige Proteinstrukturen im Gehirn, die mit Alzheimer und Demenz sowie anderen neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht werden. Sie sind oft das kanonische Ziel experimenteller Behandlungen dieser Krankheiten – normalerweise in Form von Medikamenten, die die Menge an Amyloiden verringern oder deren Bildung verhindern sollen.
Doch viele Menschen, bei denen ein signifikanter Amyloid-Test positiv ausfällt, entwickeln überhaupt keine Demenz, und Behandlungsschemata, die sich gegen Amyloid richten, waren bisher erfolglos. Ein weiterer bekannter Indikator für Alzheimer ist die sogenannte allostatische Belastung, ein allgemeiner Begriff für die kumulative Belastung des Körpers durch chronischen Verschleiß. Je mehr oxidativer Stress, desto höher die Belastung und desto höher das Demenzrisiko.
Zuvor hatte eine Gruppe von Forschern herausgefunden, dass ein bestimmter Quanteneffekt – die Einzelphotonen-Superstrahlung – die turbulente Umgebung des menschlichen Körpers in Netzwerken der Aminosäure Tryptophan überleben und möglicherweise oxidativen Stress im Körper mildern kann.
Nun hat diese Gruppe unter der Leitung von Dr. Philip Kurian, dem leitenden Forscher und Gründungsdirektor des Quantum Biology Laboratory an der Howard University in Washington, DC, festgestellt, dass diese Tryptophan-Netzwerke eine noch stärkere Fähigkeit besitzen, Superstrahlungseffekte in Amyloidfibrillen zu nutzen, als in den Strukturen, die sie zuvor untersucht hatten.
Das Ergebnis, veröffentlicht in Grenzen der Physikhat bedeutende Auswirkungen auf die Rolle von Amyloid bei der Alzheimer-Krankheit.
„Unsere vorherige experimentelle Bestätigung der Einzelphotonen-Superstrahlung in Proteinfasern hat uns ermutigt, andere neurobiologische Architekturen, darunter auch Amyloidfibrillen, zu untersuchen“, sagte Kurian.
„Während die von uns zuvor beobachtete superradiante Steigerung der Quantenausbeute zwar bescheiden, aber dennoch nachweisbar war, ist unsere vorhergesagte superradiante Steigerung für Amyloidfibrillen enorm und kann bis zum Fünffachen der Quantenausbeute eines einzelnen Tryptophanmoleküls betragen. Diese Entdeckung hat das Potenzial, die verfügbaren Behandlungsmethoden für Demenz zu verändern und unser Verständnis der Informationsverarbeitung im gesamten Netz des Lebens zu revolutionieren.“
Oxidativer Stress, ein Faktor, der mit Alzheimer in Verbindung gebracht wird, entsteht, wenn der Körper eine große Anzahl freier Radikale produziert, die schädliche, hochenergetische UV-Photonen aussenden können. Einzelphotonen-Superradianz ist ein Quantenphänomen, bei dem ein kollektives Netzwerk von Molekülen diese hochenergetischen Lichtpartikel sehr effizient absorbieren und sie mit einer niedrigeren, sichereren Energie wieder aussenden kann.
Da viele Amyloidfibrillen eine sehr hohe Dichte an Tryptophanen aufweisen, die in mehreren Helices angeordnet sind, ist ihre Fähigkeit, schädliche Photonen zu absorbieren und die Energie herunterzuwandeln – der Photoschutz – viel stärker als bisher vermutet.
Dies könnte darauf hindeuten, dass Amyloid nicht die Ursache für Alzheimer ist, sondern tatsächlich eine Anpassungsreaktion des Körpers auf eine belastende Umgebung mit einem höheren Anteil an UV-Photonen aus freien Radikalen.
„Die Kurian-Gruppe hat einen herausragenden wissenschaftlichen Beitrag zur Aufklärung der potenziellen Rolle von Amyloidfibrillen bei der Milderung von oxidativem Stress und photophysikalischen Schäden geleistet“, sagte Professor Lon Schneider, Direktor des USC California Alzheimer’s Disease Center, der nicht an der Forschung beteiligt war.
„Diese Arbeit hat tiefgreifende Auswirkungen auf das Verständnis der Pathophysiologie der Alzheimer-Krankheit, da Forscher im Allgemeinen davon ausgehen, dass Amyloid das geeignete Ziel einer Behandlung sein muss. Im Gegenteil, Kurians Arbeit legt nahe, dass Amyloidaggregation und Fibrillenbildung keine Krankheitsursache, sondern eine Schutzreaktion darstellen.“
Der nächste Schritt besteht darin, diese Vorhersage experimentell zu bestätigen. Kurian möchte jedoch auch, dass seine Kollegen aus den Bereichen Biologie und Neurowissenschaften umfassender darüber nachdenken, wie wichtig Quantenperspektiven für die Biowissenschaften sind.
„Wir möchten anderen klarmachen, dass die Wechselwirkungen von Licht und Quantenmaterie für alle lebenden Systeme von erheblicher Bedeutung sind“, sagte er.
Der Erstautor des Artikels, Herr Hamza Patwa, ist ein Barry Goldwater Scholar des Jahres 2024 und ein Student im fortgeschrittenen Studienjahr als Praktikant im Labor für Quantenbiologie.
„Für mich“, sagte er, „stellt diese Arbeit dar, was wahre Wissenschaft sein soll. Um einen solchen kognitiven Sprung zu machen, muss man sich in mehreren verschiedenen Disziplinen auskennen: offene Quantensysteme, Computerbiologie und Photophysik. Es hat mich gelehrt, dass Wissenschaft nicht immer in sich gegenseitig ausschließende Kategorien unterteilt werden muss.“
„Wenn wir versuchen, Werkzeuge aus den Teilbereichen zu verwenden, die zur Lösung eines Problems erforderlich sind, offenbart sich die enorme Erklärungskraft der Wissenschaft.“
Weitere Informationen:
Hamza Patwa et al., Quantenverstärkter Photoschutz in Neuroproteinarchitekturen entsteht durch kollektive Licht-Materie-Wechselwirkungen, Grenzen der Physik (2024). DOI: 10.3389/fphy.2024.1387271
Zur Verfügung gestellt von der Howard University