Premieră în lumea microscopică: O posibilă stare cuantică, detectată în interiorul celulelor vii

O echipă de cercetători din China susține că a identificat o stare cuantică în interiorul mitocondriilor, structurile celulare responsabile de producerea energiei. În experimente realizate pe celule umane, țesuturi de șoarece și mitocondrii izolate, oamenii de știință au detectat o vibrație neobișnuită, la 71 de teraherți, care a apărut doar atunci când structurile mitocondriale au rămas intacte.

Mai mult, atunci când celulele au fost expuse timp de 10 minute la anumite frecvențe ale luminii infraroșii, producția de ATP, principala „monedă energetică” a celulelor, a crescut cu aproximativ 10%, potrivit Science Alert.

Rezultatele, prezentate într-un studiu publicat ca preprint pe platforma bioRxiv, sugerează că mecanismele cuantice ar putea avea un rol în modul în care mitocondriile transformă energia. Cercetarea nu a fost însă încă evaluată de alți specialiști, iar autorii subliniază că mecanismul propus nu a fost demonstrat direct.

Un semnal misterios în „centralele energetice” ale celulei

Cercetarea a fost coordonată de Bo Song, de la Școala de Inginerie Optico-Electrică și Informatică a Universității din Shanghai pentru Știință și Tehnologie, împreună cu colegii săi.

Echipa a analizat o linie celulară umană, dar și țesuturi de rinichi, ficat, inimă și mușchi scheletici provenite de la șoareci. Cercetătorii au folosit spectroscopia în infraroșu cu transformare Fourier, o metodă prin care pot fi observate reacțiile probelor la diferite frecvențe ale luminii infraroșii.

Moleculele și structurile biologice au frecvențe caracteristice de vibrație, iar oamenii de știință pot folosi aceste „semnături” pentru a afla ce se întâmplă în interiorul unei probe.

În cazul de față, cercetătorii au observat un semnal neobișnuit la 71 de teraherți, ceea ce înseamnă o oscilație de aproximativ 71 de trilioane de ori pe secundă.

Semnalul a fost identificat în celulele vii, în țesuturile de șoarece și în mitocondriile izolate. În schimb, acesta a dispărut după ce probele au fost uscate și măcinate, procedeu care distruge structura lor organizată.

„Starea cuantică mitocondrială oferă o modalitate bună de a explica frecvența necunoscută”, a declarat Bo Song pentru ScienceAlert.

Cercetătorul precizează însă că aceasta este o interpretare ipotetică și nu reprezintă o dovadă directă a existenței unei stări cuantice.

Cercetătorii și-au concentrat atenția asupra cristelor, pliurile membranei interne a mitocondriilor. Aceste structuri conțin numeroase lipide ale căror legături carbon-hidrogen, sau CH2, vibrează în mod natural la aproximativ 87 de teraherți.

Modelul propus de echipă pornește de la ideea că fotonii aflați în interiorul mitocondriilor s-ar putea cupla cu aceste vibrații colective ale moleculelor.

În acest scenariu, lumina și vibrațiile moleculare ar forma o stare hibridă numită polariton, care combină proprietăți ale luminii și materiei.

Potrivit modelului, interacțiunea ar împărți vibrația inițială de 87 de teraherți în două niveluri energetice noi, unul în apropierea valorii de 71 de teraherți și celălalt în jurul valorii de 103 teraherți.

Faptul că unul dintre nivelurile prezise se potrivește cu semnalul de 71 de teraherți observat experimental reprezintă unul dintre argumentele principale ale cercetătorilor.

Lumina infraroșie a crescut producția de ATP

Echipa a vrut să verifice dacă frecvențele respective au și un efect asupra funcționării celulelor.

Cercetătorii au expus celule umane vii la lumină infraroșie de intensitate redusă, timp de 10 minute. Au fost testate, printre altele, frecvențele de 71 și 87 de teraherți, dar și o frecvență de control, de 53,7 teraherți.

Rezultatele au indicat o creștere a producției de ATP de 10,3% după expunerea la 71 de teraherți și de 10,1% după expunerea la 87 de teraherți.

În cazul frecvenței de control nu a fost observată o modificare semnificativă a producției de ATP.

Cercetătorii consideră că rezultatul ar putea indica faptul că efectul depinde de frecvența luminii și nu reprezintă doar o consecință a expunerii celulelor la radiație infraroșie.

Legătura cu producerea energiei în mitocondrii

Potrivit modelului propus de Bo Song și colegii săi, starea cuantică ar putea influența ciclul acidului tricarboxilic, cunoscut și drept ciclul TCA, unul dintre procesele centrale prin care celulele obțin energie.

Frecvența observată se suprapune cu vibrațiile dioxidului de carbon, iar CO2 este produs în timpul acestui ciclu metabolic.

Într-un studiu teoretic anterior, aceeași echipă a propus că reducerea NAD+ în timpul ciclului TCA ar putea elibera fotoni cu o frecvență de aproximativ 87 de teraherți.

„Starea cuantică mitocondrială ar putea crește eficiența ciclurilor TCA, influențând producția de ATP”, a explicat Song.

Această legătură nu a fost însă demonstrată experimental.

Descoperirea este promițătoare, dar nu dovedește existența stării cuantice

Cercetătorii atrag atenția că rezultatele trebuie interpretate cu precauție.

Un semnal spectral neobișnuit nu demonstrează, de unul singur, existența unei stări cuantice. Polaritonul propus de echipă nu a fost observat direct, ci a fost dedus prin compararea datelor experimentale cu predicțiile unui model.

De asemenea, experimentul privind producția de ATP a fost realizat pe o linie celulară umană cultivată, cu opt probe în fiecare grup. Prin urmare, rezultatele nu demonstrează că mecanismul funcționează în același mod în organismul uman sau că are un rol în metabolismul animalelor întregi.

O altă întrebare este dacă efectele observate ar putea fi legate de încălzire, deși cercetătorii spun că intensitatea luminii a fost foarte redusă, iar frecvența de control nu a produs modificări ale ATP.

„Principala noastră limitare este lipsa dinamicii transferului de energie legată de lumina de 87-THz”, a declarat Song.

Ce trebuie demonstrat în continuare

Potrivit cercetătorilor, măsurarea directă a modului în care energia este transferată în sistem ar putea clarifica dacă fenomenul observat are într-adevăr o origine cuantică.

În plus, alte laboratoare ar trebui să reproducă rezultatele și să verifice independent existența semnalului de 71 de teraherți, precum și comportamentul cuantic propus de model.

Pentru moment, studiul ridică o ipoteză spectaculoasă: mitocondriile, considerate de zeci de ani „centralele energetice” ale celulelor, ar putea utiliza nu doar reacții chimice, ci și fenomene descrise de fizica cuantică pentru a influența producerea energiei.

Rezultatele sunt disponibile pe bioRxiv, sub forma unui preprint, și nu au trecut încă prin procesul de evaluare științifică inter pares.