Quantenphysikalische Effekte wirken nicht nur in Teilchenbeschleunigern oder Speziallaboren, sondern in jedem grünen Blatt. Denn alle biologischen Prozesse, bei denen es um Energieübertragung oder Lichtabsorption geht, unterliegen den Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik. Wie sich solche Quanten-Effekte auf Elektronenbewegungen auswirken, erforschen Physiker und Biologen der Universitäten Münster und Ulm sowie der Hebrew University of Jerusalem in einem Projekt der VolkswagenStiftung. Gefördert wird das Forschungsvorhaben im Programm „NEXT – Quantum Biology“ mit mehr als zwei Millionen Euro.
„Biologische Energieprozesse wie die Photosynthese oder die Zellatmung verlaufen in Natura viel schneller und effektiver, als sie sich mit den Gesetzen der klassischen Physik oder Chemie erklären lassen“, sagt Professor Martin Plenio von der Universität Ulm. Zusammen mit Professor Helmut Zacharias (Koordination) und Professor Michael Hippler aus Münster und dem israelischen Wissenschaftler Professor Yossi Paltiel möchte der Ulmer Quantenforscher herausfinden, welche Rolle dabei die Quantenphysik spielt. Alle vier Forschenden erhalten dafür jeweils eine halbe Million Euro.
Besonders im Fokus des Projektes steht die Frage, wie Quanten-Spin-Effekte den Elektronentransport in Zellen beeinflussen. Als Spin versteht man eine quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen. Diese wird oft als Eigendrehimpuls beschrieben und erzeugt ein winziges magnetisches Moment. Solche Spin-Effekte können den Elektronentransport beschleunigen oder verlangsamen, was Auswirkungen auf Prozesse des Energietransports oder der Lichtabsorption hat.
Stärke und Ausrichtung der magnetischen Effekte hängen ganz entscheidend von der Struktur der (Bio)Moleküle ab, über die der Elektronentransport abgewickelt wird. An dieser Stelle kommt die sogenannte Chiralität ins Spiel – auf Deutsch übersetzt mit „Händigkeit“. Gemeint ist damit ein strukturelles Phänomen aus der Chemie und Molekularbiologie, das sich auf den räumlichen Aufbau beziehungsweise auf die Drehrichtung der Moleküle bezieht. Chirale Moleküle gibt es wie die linke und die rechte Hand des Menschen in zwei spiegelbildlichen Formen. Während Aminosäuren im Organismus fast ausschließlich „linkshändig“ beziehungsweise „linksdrehend“ als L-Aminosäuren vorkommen, sind Zuckermoleküle in der Regel „rechtshändig“. Für die Aktivität von Enzymen ist dieser strukturelle Unterschied in der räumlichen Ausrichtung entscheidend.
Die Chiralität sorgt dafür, dass biologische Prozesse gerichtet sind und spezifisch ablaufen.
Ein Elektron, das sich durch ein chirales Molekül bewegt, „spürt“ die Händigkeit der Struktur. Dabei wird eine bestimmte Spinrichtung bevorzugt. Das chirale Molekül wirkt dadurch wie ein Spinfilter. Je nachdem, wie es räumlich verdreht ist, kann es den Elektronentransport einer Spinkomponente also bremsen oder beschleunigen. Chirale Moleküle können deshalb Elektronen je nach Spin unterschiedlich gut durchlassen. Dieses Phänomen wird in der Physik als CISS-Effekt bezeichnet, also als chiralitätsinduzierte Spin-Selektivität.
In dem Forschungsprojekt, das den Titel „Quantum spin effects at the origin of energetic bioprocesses” trägt, sollen solche CISS-Effekte näher untersucht werden. Solche Effekte sind relevant für viele biologische Prozesse des Elektronentransports. Sie spielen eine Rolle bei der Photosynthese, der Zellatmung aber auch bei enzymatischen Redoxreaktionen, wie sie beispielsweise bei der Wasserstofferzeugung in Algen ablaufen.
Doch welchen Vorteil bringt die Chiralität der Natur?
Der Aufbau chiraler Moleküle braucht zusätzliche Energie und bedeutet einen Extraaufwand. Vermutet wird, dass mit dem CISS-Effekt bestimmte physikalische Schutz- und Steuerungsfunktionen verbunden sind. Beispielsweise ist bekannt, dass unerwünschte Nebenreaktionen – etwa die Bildung schädlicher Radikale – mit „falschem“ Spin einhergehen. Nutzt die Natur die Quantenphysik also, um biologische Prozesse gezielt ablaufen zu lassen? Für die Lebenswissenschaften wäre dies ein völlig neuer Ansatz. „Quantenphysik in der Biologie – das ist für viele eine Überraschung. Denn im lebendigen Organismus gibt es Wärme, Wasser und steten Wandel – alles Umstände, die die experimentelle Quantenforschung im Labor unmöglich machen“, sagt Plenio. Das Forschungsteam aus Physikern und Biologen möchte nun der Natur auf die Spur kommen, wie es ihr gelingt, biologische Prozesse mit quantenphysikalischen Effekten zu optimieren und zu beschleunigen. Mit einem Kick Off Meeting am 10. und 11. Februar in Hannover ging das Projekt an den Start.
„NEXT – Quantum Biology“ – Ein Programm der VolkswagenStiftung
Mit dem Förderangebot „NEXT – Quantum Biology“ möchte die VolkswagenStiftung dazu beitragen, die Existenz von Quanteneffekten in biologischen Systemen nachzuweisen und damit dem Forschungsfeld zu mehr Akzeptanz verhelfen. Gesucht wurden interdisziplinäre Projektteams, die sich der Herausforderung annehmen, die Grenzen bisheriger Ansätze zu überwinden.
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Martin Plenio, Leiter des Instituts für Theoretische Physik, E-Mail: martin.plenio@uni-ulm.de
Text und Medienkontakt: Andrea Weber-Tuckermann