Quantenmechanik in der Biologie

  • 01. September 2006



Durch kohärente Anregung lässt sich die Effizienz des Rhodopsins verbessern.

Welche Rolle die Quantenphysik in der Biologie spielt, ist nach wie vor eine offene Frage. Im Innern einer biologischen Zelle würden quantenmechanische Kohärenzen jedenfalls sofort zerstört. Und auch beim genetischen Code treten keine Quanteninterferenzen auf. Wenn jedoch eine Zelle ein einzelnes Photon auffängt und in elektrische Energie umwandelt, handelt es sicherlich um einen Quantenprozess. Doch welche Rolle spielen dabei die Welleneigenschaften der Materie und wieweit lassen sich diese Prozesse durch Interferenzeffekte beeinflussen? Diesen Fragen sind Valentyn Prokhorenko und seine Kollegen von der University of Toronto nachgegangen.

Die Forscher haben die durch einzelne Photonen ausgelösten Konformationsänderungen von Retinalmolekülen im Bakteriorhodopsin untersucht. Das Bakteriorhodopsin ist ein Protein, das in der Zellmembran bestimmter Bakterien sitzt und als lichtaktivierte Protonenpumpe dient. Jedes Bakteriorhodopsinmolekül enthält eine lichtabsorbierende Gruppe, das Retinal, das sich übrigens auch im Rhodopsin der Photorezeptorzellen des menschlichen Auges findet. Wird das Retinalmolekül von einem Photon getroffen und angeregt, dann ändert es seine Form und veranlasst dadurch das Bakteriorhodopsin, genau ein Proton aus der Zelle heraus zu transportieren.

Die von einem Photon ausgelöste Konformationsänderung des Retinalmoleküls, bei der das Molekül an einer Kohlenstoffdoppelbindung vom cis- in den trans-Zustand übergeht, ist intensiv erforscht worden. Diese Photoisomerisierung hat eine erstaunlich große Quantenausbeute von etwa 65 % und ist ungefähr 3 ps nach der Absorption des Photons abgeschlossen. Um das Retinal anzuregen, haben es die Forscher mit Lichtpulsen von 18 fs Dauer, einer Wellenlänge von 565 nm und einer Bandbreite von 60 nm bestrahlt. Dabei hielten sie die Lichtintensität so gering, dass nur jeweils eins von 40 Retinalmolekülen von einem Photon angeregt wurde. Im angeregten trans-Zustand verriet sich das Retinal dann durch eine verstärkte Lichtabsorption im Bereich von 630 bis 640 nm. Auf diese Weise konnten die kanadischen Forscher direkt ablesen, wie effektiv ein Lichtpuls zur Isomerisierung geführt hatte.

Die biologische Evolution hat in der Regel dazu geführt, dass die biophysikalischen Prozesse erstaunlich effektiv und nahezu optimal ablaufen. Die Forscher stellten sich jedoch die Frage, ob sich die Ausbeute bei der Photoisomerisierung des Retinals durch geeignete Formung der Lichtpulse noch weiter erhöhen ließ. Obwohl das Retinal nur jeweils ein Photon absorbiert, können unterschiedlich geformte Lichtpulse zu unterschiedlichen quantenmechanischen Interferenzeffekten bei der Anregung des Moleküls führen. Andererseits ist das Retinal ein sehr großes und komplexes Molekül, bei dessen Anregung quantenmechanische Interferenzen möglicherweise zu schnell ausgelöscht werden, um eine merkliche Rolle zu spielen.

Mit einem genetischen Algorithmus und einer Rückkopplungsschleife haben sich Prokhorenko und seine Mitarbeiter auf die Suche nach einem optimal geformten Lichtpuls gemacht, der das Retinal kohärent so anregt, dass konstruktive Interferenzen die Ausbeute erhöhen. Dabei starteten sie mit 30 verschiedenen Pulsformen, deren isomerisierende Wirkung auf das Retinal gemessen wurde. Die Pulsformen mit der besten Wirkung konnten sich „fortpflanzen“, wobei die nächste Generation geringfügige Änderungen in der Verteilung der Amplituden und Phasen hatte. Dazu wurden die Pulse durch einen Pulsformer geschickt. Dabei handelte sich um einen Flüssigkristallmodulator, wie er in Flüssigkristalldisplays benutzt wird, der die relativen Farbanteile des Pulses und ihre zeitliche Anordnung veränderte.

Die Wirkungen der „mutierten“ Pulse auf das Retinal wurden der Reihe nach gemessen und besten Pulse wurden wiederum zur Fortpflanzung ausgewählt. Nach etwas 30 bis 40 Generationen blieben die Ergebnisse stabil. Es stellte sich heraus, dass durch eine geeignete Pulsform die Ausbeute bei der Isomerisierung um 23 % erhöht werden konnte. Die Forscher schließen, dass die Ursache dafür eine konstruktive Interferenz unterschiedlicher Quantenamplituden bei der Anregung der Retinalmoleküle ist. Eine „Anti-Optimierung“ der Pulsformen, bei der eine möglichst geringe Ausbeute das Ziel war, ergab ebenfalls ein klares Ergebnis: Die Ausbeute ließ sich um etwa 24 % reduzieren – obwohl die Retinalmoleküle nach wie vor mit Photonen ausreichender Energie bestrahlt worden. Hier war offenbar destruktive Interferenz am Werk.

Zwar sind die Retinalmoleküle in einer komplexen Umgebung eingebettet, die die Phasenkohärenz der Molekülanregungen schnell zerstört. Dennoch lassen sich konstruktive und destruktive Interferenzeffekte beobachten. Dabei spielen die Vibrationsmoden des Retinals eine wichtige Rolle spielen, die den cis- mit dem trans-Zustand verbinden. Die kanadischen Forscher kommen zu dem Schluss, dass die Wellennatur der Materie durchaus eine Rolle in biologischen Prozessen spielen kann und dass sie sich sogar nutzen lässt, um biologische Vorgänge zu beeinflussen.

Rainer Scharf

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