Tecnologia Científica

As bactérias sabem como explorar a mecânica quântica, descobriu novo estudo
Os cientistas estudaram um tipo de microorganismo chamado bactérias verdes de enxofre. Essas bactérias precisam de luz para sobreviver, mas mesmo pequenas quantidades de oxigênio podem danificar seu delicado equipamento fotossintético.
Por Centro Médico da Universidade de Chicago - 10/03/2021


Um grupo de cientistas da Universidade de Chicago descobriu que certas bactérias usam deliberadamente as regras da mecânica quântica para salvar seu equipamento fotossintético dos danos do oxigênio. Crédito: Greg Engel

Os organismos fotossintéticos captam a luz do sol para produzir a energia de que precisam para sobreviver. Um novo artigo publicado por pesquisadores da Universidade de Chicago revela seu segredo: explorar a mecânica quântica.

"Antes deste estudo, a comunidade científica viu assinaturas quânticas geradas em sistemas biológicos e fez a pergunta: esses resultados eram apenas uma consequência da biologia sendo construída a partir de moléculas, ou eles tinham um propósito?" disse Greg Engel, professor de química e autor sênior do estudo. "Esta é a primeira vez que vemos a biologia explorando ativamente os efeitos quânticos ."

Os cientistas estudaram um tipo de microorganismo chamado bactérias verdes de enxofre. Essas bactérias precisam de luz para sobreviver, mas mesmo pequenas quantidades de oxigênio podem danificar seu delicado equipamento fotossintético. Portanto, eles devem desenvolver maneiras de minimizar os danos quando a bactéria encontra oxigênio.

Para estudar esse processo, os pesquisadores rastrearam o movimento da energia por meio de uma proteína fotossintética sob diferentes condições - com oxigênio ao redor e sem.

Eles descobriram que a bactéria usa um efeito mecânico quântico chamado mistura vibrônica para mover energia entre duas vias diferentes, dependendo da existência ou não de oxigênio. A mistura vibrônica envolve características vibracionais e eletrônicas em moléculas que se acoplam umas às outras. Em essência, as vibrações se misturam tão completamente com os estados eletrônicos que suas identidades se tornam inseparáveis. Essa bactéria usa esse fenômeno para guiar a energia para onde ela precisa ir.

Se não houver oxigênio por perto e a bactéria estiver segura, a bactéria usa a mistura vibrônica combinando a diferença de energia entre dois estados eletrônicos em um conjunto de moléculas e proteínas chamado complexo FMO, com a energia da vibração de uma molécula de bacterioclorofila. Isso estimula a energia a fluir pelo caminho "normal" em direção ao centro de reação fotossintética, que está repleto de clorofila.

Mas se houver oxigênio por perto, o organismo evoluiu para direcionar a energia por um caminho menos direto, onde pode ser extinta. (Resfriar a energia é semelhante a colocar a palma da mão em uma corda vibrante de violão para dissipar a energia.) Dessa forma, a bactéria perde um pouco de energia, mas salva todo o sistema.
 
Para conseguir esse efeito, um par de resíduos de cisteína no complexo fotossintético atua como um gatilho: cada um deles reage com o oxigênio do ambiente perdendo um próton, o que interrompe a mistura vibrônica. Isso significa que a energia agora se move preferencialmente pelo caminho alternativo, onde pode ser extinta com segurança. Esse princípio é um pouco como bloquear duas pistas em uma superestrada e desviar parte do tráfego para estradas locais onde há muito mais saídas.

"O que é interessante sobre esse resultado é que estamos vendo a proteína ligar e desligar o acoplamento vibrônico em resposta às mudanças ambientais na célula", disse Jake Higgins, estudante de graduação no Departamento de Química e principal autor do artigo. "A proteína usa o efeito quântico para proteger o organismo dos danos oxidativos."

Os cientistas Jake Higgins e Lawson Lloyd da Universidade de Chicago ajustam o laser
no laboratório de Greg Engel. Crédito: Siddhartha Sohoni

Essas descobertas trazem uma revelação nova e empolgante sobre a biologia; usar um mecanismo explicitamente quântico para proteger o sistema mostra uma adaptação importante e que os efeitos quânticos podem ser importantes para a sobrevivência.

Este fenômeno provavelmente não se limita às bactérias verdes de enxofre, disseram os cientistas. Como Higgins explicou, "A simplicidade do mecanismo sugere que ele pode ser encontrado em outros organismos fotossintéticos em toda a paisagem evolutiva. Se mais organismos forem capazes de modular dinamicamente acoplamentos mecânicos quânticos em suas moléculas para produzir mudanças maiores na fisiologia, poderia haver um todo um novo conjunto de efeitos selecionados pela natureza que ainda não conhecemos. "

 

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