Czy cząsteczka DNA, znana dotychczas głównie jako biologiczny nośnik kodu genetycznego, może zachowywać się jak makroskopowy układ kwantowy? Najnowsze badania prof. dr. hab. Mariusza Pietruszki z Instytutu Biologii, Biotechnologii i Ochrony Środowiska UŚ dowodzą, że uwodniona podwójna helisa wykazuje zaskakujące właściwości elektryczne i fazowe, które dotąd obserwowano m.in. w nadprzewodnikach. Wyniki tych pionierskich prac ukazały się właśnie w prestiżowym czasopiśmie „Scientific Reports” należącym do grupy Nature.
Artykuł zatytułowany „Metastable phase switching and an effective h/2e flux scale in hydrated DNA” rzuca nowe światło na pogranicze fizyki fazy skondensowanej oraz biologii molekularnej. Prof. Mariusz Pietruszka wykazał w nim, że kluczem do niezwykłych właściwości fizycznych DNA jest otaczająca je wodna powłoka – tzw. siatka protonowa. W temperaturze pokojowej ten dynamiczny interfejs zaczyna przejawiać zbiorowe, uporządkowane zachowania elektryczne.
Nadprzewodzący ślad w kodzie życia
Najbardziej spektakularnym odkryciem opisanym w pracy jest zaobserwowanie w uwodnionym DNA efektu zbliżonego do zjawisk znanych z fizyki niskich temperatur. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego w badanym układzie dochodzi do dyskretnych skoków fazowych. Analiza teoretyczna oparta na autorskim modelu (correlated two-pathway gauge-phase model) wykazała, że zsumowane wkłady fazowe definiują skalę efektywnego kwantu strumienia magnetycznego (h/2e, gdzie h to stała Plancka, a e to ładunek elektronu; to dwie tzw. stałe fundamentalne).
Wartość ta (h/2e) jest tożsama z fundamentalną stałą fizyczną charakteryzującą pary Coopera – nośniki ładunku odpowiedzialne za zjawisko nadprzewodnictwa. Sugeruje to, że w odpowiednich warunkach wilgotności DNA staje się makroskopowym przewodnikiem fazowym sterowanym zewnętrznie.
Polaryzacyjny taniec atomów
Za pomocą zaawansowanych narzędzi matematycznych, w tym rekonstrukcji fazowej Hilberta oraz statystycznej analizy bayesowskiej, fizyk z Uniwersytetu Śląskiego udowodnił, że układ ten nie działa w sposób chaotyczny. Pomiary napięcia poprzecznego ujawniły istnienie tzw. metastabilnych stanów atraktorowych.
Uwodnione DNA zachowuje się jak nieliniowy układ dyssypatywny, który w sposób stochastyczny (losowy) przełącza się pomiędzy dwoma głównymi stanami stabilności, spędzając w każdym z nich średnio około 9 sekund. Co ciekawe, zwiększanie natężenia pola magnetycznego pozwala na geometryczną kontrolę tego procesu, zmieniając wymiar skalowania fazy układu.
Początek ery bioelektroniki kwantowej?
Odkrycie prof. Mariusza Pietruszki ma krytyczne znaczenie naukowe i aplikacyjne. Pokazuje, że natura wyposażyła kwas dezoksyrybonukleinowy w mechanizmy fizyczne zdolne do przetwarzania informacji w sposób analogiczny do nowoczesnych układów topologicznych czy komputerów kwantowych.
– To nie jest koniec. To nawet nie jest początek końca. Ale to jest, być może, koniec początku – mówi prof. Mariusz Pietruszka, parafrazując słynne słowa Winstona Churchilla w kontekście dokonanych badań. – Stoimy u progu całkowicie nowego rozumienia fizycznych fundamentów życia. Udowodnienie, że struktury biologiczne potrafią operować na efektach fazowych i kwantowych w temperaturze pokojowej, to dopiero pierwszy krok.
Zrozumienie i okiełznanie tych procesów otwiera zupełnie nowe perspektywy dla rozwoju bioelektroniki, biomimetycznych nanopodzespołów oraz nowej generacji sensorów, w których organiczne cząsteczki biologiczne będą współpracować z systemami elektronicznymi na poziomie kwantowym.
Prof. dr hab. Mariusz Pietruszka | archiwum prywatne