Bakteri tahu bagaimana memanfaatkan mekanika kuantum untuk mengarahkan energi

Bakteri fotosintetik beradaptasi dengan lingkungan menggunakan mekanika kuantum untuk mengarahkan energi.

Organisme fotosintetik mengumpulkan sinar matahari untuk menghasilkan energi yang mereka butuhkan untuk bertahan hidup. Artikel baru diterbitkan oleh Universitas Chicago peneliti mengungkap rahasia mereka: mengeksploitasi mekanika kuantum.

“Sebelum studi ini, komunitas ilmiah melihat tanda tangan kuantum dihasilkan dalam sistem biologis dan bertanya-tanya: Apakah hasil ini hanya konsekuensi dari konstruksi biologi dari molekul, atau apakah mereka memiliki tujuan?” kata Greg Engel, profesor kimia dan penulis utama studi tersebut. “Ini pertama kalinya kami melihat biologi secara aktif mengeksploitasi efek kuantum.”

Bakteri menggunakan aturan mekanika kuantum

Sekelompok ilmuwan di Universitas Chicago menemukan bahwa bakteri tertentu dengan sengaja menggunakan aturan mekanika kuantum untuk menyelamatkan peralatan fotosintesis mereka dari kerusakan yang disebabkan oleh oksigen. Kredit: Ilustrasi oleh Greg Engel

Ilmuwan mempelajari sejenis mikroorganisme yang disebut bakteri belerang hijau. Bakteri ini membutuhkan cahaya untuk bertahan hidup, tetapi oksigen dalam jumlah kecil pun dapat merusak peralatan fotosintesis mereka yang halus. Oleh karena itu, mereka harus mengembangkan cara untuk meminimalkan kerusakan saat bakteri berada dalam oksigen.

Untuk mempelajari proses ini, para peneliti melacak pergerakan energi melalui protein fotosintetik dalam kondisi berbeda – dengan dan tanpa oksigen.

Mereka menemukan bahwa bakteri menggunakan efek mekanis kuantum yang disebut pencampuran vibronik untuk memindahkan energi di antara dua jalur yang berbeda, tergantung pada ada atau tidaknya oksigen di sekitarnya. Pencampuran vibrasi melibatkan karakteristik getaran dan elektronik dalam penggandengan molekul satu sama lain. Intinya, getaran bercampur sepenuhnya dengan keadaan elektronik sehingga identitasnya menjadi tidak terpisahkan. Bakteri ini menggunakan fenomena ini untuk memandu energi ke tempat yang dibutuhkannya.

Jake Higgins dan Lawson Lloyd menyetel laser

Ilmuwan Universitas Chicago Jake Higgins dan Lawson Lloyd menyetel laser di lab Greg Engel. Kredit: Foto oleh Siddhartha Sohoni

Jika tidak ada oksigen di sekitar dan bakterinya aman, bakteri menggunakan campuran vibronik untuk mencocokkan perbedaan energi antara dua keadaan elektronik dalam satu set molekul dan protein yang disebut kompleks FMO, dengan energi getaran molekul bakterioklorofil. Ini mendorong energi untuk mengalir melalui jalur “normal” ke pusat reaksi fotosintesis, yang penuh dengan klorofil.

Tetapi jika ada oksigen di sekitar, tubuh telah berevolusi untuk mengarahkan energi melalui jalur yang tidak langsung di mana ia dapat dimatikan. (Mematikan mirip dengan meletakkan telapak tangan pada senar gitar yang bergetar untuk menghilangkan energi.) Dengan cara ini, bakteri kehilangan sebagian energi tetapi menyelamatkan seluruh sistem.

Untuk mencapai efek ini, sepasang residu sistein dari kompleks fotosintetik bertindak sebagai pemicu: masing-masing bereaksi dengan oksigen di lingkungan yang kehilangan proton, yang mengganggu pencampuran vibronik. Ini berarti bahwa sekarang energi bergerak lebih disukai melalui jalur alternatif, yang dapat dimatikan dengan aman. Prinsip ini mirip seperti memblokir dua jalur di jalan bebas hambatan dan mengalihkan beberapa lalu lintas di jalan lokal di mana terdapat lebih banyak jalan keluar.

Jake Higgins

Jake Higgins, seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas Chicago dan penulis studi pertama, di samping laser tempat data diambil. Kredit: Foto oleh Lawson Lloyd, Universitas Chicago

“Yang menarik dari hasil ini adalah kami melihat bagaimana protein mengaktifkan dan menonaktifkan penggabungan vibronik sebagai respons terhadap perubahan lingkungan dalam sel,” kata Jake Higgins, seorang mahasiswa pascasarjana di Departemen Kimia dan penulis utama pekerjaan. “Protein menggunakan efek kuantum untuk melindungi tubuh dari kerusakan oksidatif.”

Penemuan ini memicu wahyu baru yang menarik tentang biologi; menggunakan mekanisme kuantum eksplisit untuk melindungi sistem menunjukkan adaptasi penting dan bahwa efek kuantum dapat menjadi penting untuk kelangsungan hidup.

Menurut para ilmuwan, fenomena ini tidak terbatas pada bakteri belerang hijau. Seperti yang dijelaskan Higgins, “Kesederhanaan mekanisme menunjukkan bahwa ia dapat ditemukan pada organisme fotosintetik lain dalam lanskap evolusi. Jika lebih banyak organisme mampu secara dinamis memodulasi kopling mekanika kuantum dalam molekulnya untuk menghasilkan perubahan yang lebih besar dalam fisiologi, mungkin ada sekumpulan efek baru yang dipilih secara alami yang belum kita ketahui.

Referensi: “Fotosintesis menyetel campuran mekanis kuantum status elektronik dan getaran untuk mengarahkan transfer energi dari eksiton” oleh Jacob S. Higgins, Lawson T. Lloyd, Sara H. Sohail, Marco A. Allodi, John P. Otto, Rafael G. Saer, Ryan E. Wood, Sara C. Massey, Po-Chieh Ting, Robert E. Blankenship, dan Gregory S. Engel, 8 Maret 2021, Prosiding National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073 / pnas. 2018240118

Pendanaan: Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara (AFOSR), NSF, Kantor Ilmu Pengetahuan DOE, Departemen Pertahanan (DoD), Yayasan Arnold dan Mabel Beckman.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

36 galaksi kerdil secara bersamaan memiliki “baby boom” bintang baru

Penemuan tak terduga Rutgers menantang teori modern tentang bagaimana galaksi tumbuh, dan dapat meningkatkan pemahaman kita tentang alam semesta. Penulis: Universitas Rutgers-New Brunswick Sungguh...

Banyak pasien dengan COVID-19 menghasilkan respons imun yang menyerang jaringan dan organ mereka sendiri.

Sebuah studi yang dipimpin oleh University of Birmingham, yang didanai oleh Konsorsium Imunologi Coronavirus Inggris, menemukan bahwa banyak pasien dengan COVID-19 menimbulkan respons kekebalan...

Sains mudah dibuat: apa itu neutrino steril?

Neutrino steril adalah jenis neutrino khusus yang telah diusulkan untuk menjelaskan beberapa hasil eksperimen yang tidak terduga, tetapi belum ditemukan secara pasti. Para...

Kekeringan jangka panjang mengambil alih AS bagian barat – Tanah dan tanaman berjatuhan

5 Juni 2021 Untuk tahun kedua berturut-turut, kekeringan melanda sebagian besar wilayah Amerika Serikat dari Pegunungan Rocky hingga Pantai Pasifik. Untuk tahun kedua berturut-turut, kekeringan melanda...

Energi matahari dan angin dapat meredakan konflik di sekitar bendungan Renaisans Ethiopia di timur laut Afrika

Megaplatinum terletak di Ethiopia, dekat perbatasan dengan Sudan. Ini adalah pembangkit listrik tenaga air terbesar di Afrika. Penulis: © Google Sebuah studi baru...

Newsletter

Subscribe to stay updated.