Unikalny efekt kwantowy w biologii może być kluczem do rozszyfrowania wspólnego wskaźnika Alzheimera choroby, podważając istniejące założenia na temat tej choroby i kierując poszukiwaniem lekarstwa.
Włókna amyloidowe to włókniste struktury białkowe w mózgu powiązane z chorobami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Alzheimera i demencja. Włókna te są powszechnie celem eksperymentalnych terapii mających na celu zwalczanie tych chorób, zazwyczaj za pomocą leków opracowanych w celu zmniejszenia ilości amyloidów lub hamowania dalszego ich tworzenia.
Jednak u wielu osób, u których wynik testu na obecność znacznych ilości amyloidu jest pozytywny, w ogóle nie rozwija się demencja i jak dotąd schematy leczenia ukierunkowane na amyloid nie okazały się skuteczne. Innym znanym wskaźnikiem choroby Alzheimera jest tak zwane obciążenie allostatyczne, ogólne określenie skumulowanego obciążenia organizmu wynikającego z chronicznego zużycia. Im większy stres oksydacyjny, tym większe obciążenie i większe ryzyko demencji.
Poprzednio, odkryła grupa badaczy że pewien efekt kwantowy – pojedynczy –foton superradiacja – mogłaby przetrwać w burzliwym środowisku ludzkiego ciała w sieciach aminowych kwas tryptofan i może potencjalnie łagodzić stres oksydacyjny w organizmie. Teraz grupa ta, kierowana przez dr Philipa Kuriana, głównego badacza i założyciela i dyrektora Laboratorium Biologii Kwantowej na Uniwersytecie Howarda w Waszyngtonie, ustaliła, że te sieci tryptofanu mają jeszcze większą zdolność ujarzmiania efektów nadpromienistych we włókienkach amyloidowych niż w struktury, które studiowali wcześniej. Wynik opublikowany w Granice w fizycema znaczące implikacje dla roli amyloidu w chorobie Alzheimera.
Efekty kwantowe we włókienkach amyloidowych
„Nasze poprzednie eksperymentalne potwierdzenie superradiacji pojedynczego fotonu we włóknach białkowych zachęciło nas do zbadania innych architektur neurobiologicznych, w tym włókienek amyloidowych” – powiedział Kurian. „Chociaż zaobserwowane wcześniej przez nas superpromienne wzmocnienie wydajności kwantowej było skromne, choć wykrywalne, przewidywane przez nas superpromienne wzmocnienie wydajności kwantowej jest ogromne, nawet pięciokrotnie większe niż wydajność kwantowa pojedynczej cząsteczki tryptofanu. To odkrycie może potencjalnie zmienić dostępne metody leczenia demencji i zrewolucjonizować nasze rozumienie przetwarzania informacji w całej sieci życia”.
Włókna amyloidowe są celem leczenia różnych chorób neurodegeneracyjnych. Hipoteza kaskady amyloidowej, na której opiera się wiele współczesnych metod leczenia choroby Alzheimera, zakłada, że przyczyną choroby są te włókienka. Jednak pojawiające się dowody sugerują, że włókienka amyloidowe wspierające rozległe spiralne struktury cząsteczek tryptofanu pełnią rolę fotoprotekcyjną jako superabsorbery wysokoenergetycznego światła UV wytwarzanego w wyniku metabolizmu oksydacyjnego. Potwierdzono eksperymentalnie, że takie sieci tryptofanu w innych komórkowych włóknach białkowych wykazują unikalny kwantowy efekt optyczny znany jako superradiancja pojedynczego fotonu, który umożliwia reakcję fotoprotekcyjną. Źródło: Laboratorium Biologii Kwantowej: Nathan Babcock i Philip Kurian
Stres oksydacyjny, czynnik przyczyniający się do choroby Alzheimera, pojawia się, gdy organizm wytwarza dużą liczbę wolnych rodników, które mogą emitować szkodliwe, wysokoenergetyczne fotony UV. Superradiancja pojedynczego fotonu to zjawisko kwantowe, w którym zbiorowa sieć cząsteczek może bardzo skutecznie absorbować wysokoenergetyczne cząstki światła i ponownie emitować je przy niższej, bezpieczniejszej energii.
Implikacje dla choroby Alzheimera i przyszłych badań
Ponieważ wiele włókienek amyloidowych ma bardzo dużą gęstość tryptofanów ułożonych w wiele helis, ich zdolność do pochłaniania szkodliwych fotonów i przekształcania energii w dół (fotoprotekcja) jest znacznie silniejsza, niż ktokolwiek wcześniej podejrzewał. Może to sugerować, że amyloid nie jest przyczyną choroby Alzheimera, ale w rzeczywistości jest reakcją adaptacyjną organizmu na stresujące środowisko, w którym występuje większa ilość fotonów UV pochodzących z wolnych rodników.
„Grupa Kurian wniosła wybitny wkład naukowy w wyjaśnienie potencjalnej roli włókienek amyloidowych w łagodzeniu stresu oksydacyjnego i uszkodzeń fotofizycznych” – powiedział profesor Lon Schneider, dyrektor Instytutu USC Kalifornijskiego Centrum Chorób Alzheimera, który nie był zaangażowany w badania. „Ta praca ma głębokie implikacje dla zrozumienia patofizjologii choroby Alzheimera, ponieważ badacze na ogół pracują przy założeniu, że amyloid musi być właściwym celem leczenia. Wręcz przeciwnie, praca Kuriana sugeruje, że agregacja amyloidu i tworzenie włókienek nie są przyczyną choroby, ale reakcją ochronną”.
Następnym krokiem jest eksperymentalne sprawdzenie tej przewidywania, ale Kurian chce również, aby koledzy z biologii i neurologii zaczęli szerzej myśleć o tym, jak perspektywy kwantowe są istotną częścią nauk o życiu. „Chcemy pomóc innym dostrzec, że interakcje światła i materii kwantowej mają istotne znaczenie dla wszystkich żywych systemów” – powiedział.
Pierwszym autorem artykułu, pan Hamza Patwa, jest stypendystą Barry’ego Goldwatera w 2024 r. i starszym stażystą w Laboratorium Biologii Kwantowej. „Dla mnie” – powiedział – „ta praca reprezentuje to, czym powinna być prawdziwa nauka. Aby dokonać takiego skoku poznawczego, trzeba znać kilka różnych dyscyplin: otwarte układy kwantowe, biologię obliczeniową i fotofizykę. Nauczyło mnie, że nauki nie zawsze trzeba dzielić na wzajemnie wykluczające się kategorie. Kiedy próbujemy użyć narzędzi z dowolnej dziedziny niezbędnej do rozwiązania problemu, w tym momencie ujawnia się niesamowita moc wyjaśniająca nauki.
Odniesienie: „Wzmocniona kwantowo fotoprotekcja w architekturach neuroprotein wyłania się ze zbiorowych interakcji światło-materia”, Hamza Patwa, Nathan S. Babcock i Philip Kurian, 18 czerwca 2024 r., Granice w fizyce.
DOI: 10.3389/fphy.2024.1387271
Badanie zostało sfinansowane przez Fundację Alfreda P. Sloana, Fundację Guy i Fundację Chaikin-Wile.
