Selon les normes quantiques, les systèmes biologiques sont des environnements plutôt hostiles :ils sont chauds et chaotiques, et même leurs composants fondamentaux, comme les cellules, sont considérés comme très grands.
Mais un groupe de chercheurs théoriques et expérimentaux a découvert un effet quantique distinct en biologie qui survit à ces conditions difficiles et pourrait également constituer un moyen pour le cerveau de se protéger des maladies dégénératives comme la maladie d'Alzheimer.
Le résultat, publié dans The Journal of Physical Chemistry B n'est pas seulement une découverte importante pour les neurosciences, mais suggère également de nouvelles applications de techniques pour les chercheurs en informatique quantique et représente une nouvelle façon de penser la relation entre la vie et la mécanique quantique.
"Je crois que notre travail constitue un pas de géant pour la biologie quantique, nous emmenant au-delà de la photosynthèse et dans d'autres domaines d'exploration :enquêter sur les implications du traitement de l'information quantique et découvrir de nouvelles approches thérapeutiques pour des maladies complexes", a déclaré Philip Kurian, Ph.D. , chercheur principal et directeur fondateur du laboratoire de biologie quantique de l'université Howard à Washington, DC.
La star de l’étude est le tryptophane :une molécule principalement associée aux dîners de dinde, mais que l’on retrouve également dans de nombreux contextes biologiques. En tant qu'acide aminé, c'est un élément fondamental des protéines et des structures plus grandes fabriquées à partir de ces protéines, telles que les cils, les flagelles et les centrioles.
Une molécule isolée de tryptophane présente une propriété quantique assez standard :elle peut absorber une particule de lumière (appelée photon) à une certaine fréquence et émettre un autre photon à une fréquence différente. Ce processus est appelé fluorescence et est très souvent utilisé dans les études visant à étudier les réponses protéiques.
Mais l’étude a révélé qu’une chose étrange se produit lorsque de très nombreuses molécules de tryptophane sont disposées dans un réseau symétrique, comme c’est le cas dans des structures plus grandes comme les centrioles :elles émettent une fluorescence plus forte et plus rapide que si elles étaient fluorescentes indépendamment. Le comportement collectif est appelé « superradiance » et il ne se produit qu'avec des photons uniques en raison de la mécanique quantique.
Ce résultat démontre un effet quantique fondamental dans un endroit où l'on ne s'attend généralement pas à ce que les effets quantiques puissent survivre :un objet plus grand dans un environnement chaud et "bruyant".
"Cette publication est le fruit d'une décennie de travail considérant ces réseaux comme des moteurs clés d'effets quantiques importants au niveau cellulaire", a déclaré Kurian.
"C'est un beau résultat", a déclaré le professeur Majed Chergui de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), qui a dirigé l'équipe expérimentale. "Il a fallu une application très précise et minutieuse des méthodes standards de spectroscopie des protéines, mais guidés par les prédictions théoriques de nos collaborateurs, nous avons pu confirmer une signature étonnante de superradiance dans un système biologique à l'échelle micrométrique."
Ces grands réseaux de tryptophane existent dans les neurones, les cellules qui composent le système nerveux des mammifères. La présence d'une superradiance quantique dans les faisceaux de neurones ressemblant à des fibres a deux implications potentielles majeures :la protection contre les maladies dégénératives et la transmission de signaux quantiques dans le cerveau.
Les maladies dégénératives du cerveau comme la maladie d'Alzheimer ont été associées à des degrés élevés de stress oxydatif, lorsque le corps transporte un grand nombre de radicaux libres, qui peuvent émettre des particules de lumière UV nocives et à haute énergie.
Le tryptophane peut absorber cette lumière ultraviolette et la réémettre à une énergie plus faible et plus sûre. Et, comme l'a montré cette étude, de très grands réseaux de tryptophane peuvent le faire de manière encore plus efficace et robuste grâce à leurs puissants effets quantiques.
"Cette photoprotection peut s'avérer cruciale pour améliorer ou stopper la progression des maladies dégénératives", a déclaré Kurian. "Nous espérons que cela inspirera une série de nouvelles expériences pour comprendre comment la photoprotection quantique joue un rôle dans des pathologies complexes qui se développent dans des conditions hautement oxydatives."
La deuxième implication de la superradiance dans le cerveau concerne la manière dont les neurones transmettent les signaux. Le modèle standard de signalisation neuronale implique que des ions se déplacent à travers les membranes d’une extrémité à l’autre du neurone, dans le cadre d’un processus chimique qui prend quelques millisecondes pour chaque signal. Mais les chercheurs en neurosciences n'ont pris conscience que récemment que cela ne peut pas expliquer tout.
La superradiance dans le cerveau se produit en moins d’une picoseconde, soit un milliardième de milliseconde. Ces réseaux de tryptophane pourraient fonctionner comme des fibres optiques quantiques qui permettraient au cerveau de traiter les informations des centaines de millions de fois plus rapidement que ne le permettraient les processus chimiques seuls.
"Le groupe Kurian et ses collègues ont enrichi notre compréhension des flux d'informations en biologie au niveau quantique", a déclaré Michael Levin, directeur du Tufts Center for Regenerative and Developmental Biology, qui n'était pas associé aux travaux.
"De tels réseaux optiques quantiques sont répandus, non seulement dans les systèmes neuronaux, mais également dans tout le réseau de la vie. Les propriétés remarquables de cette modalité de signalisation et de traitement de l'information pourraient être extrêmement pertinentes pour la biologie évolutive, physique et informatique."
Le côté théorique de ces travaux a attiré l'attention des chercheurs en technologie quantique, car la survie d'effets quantiques fragiles dans un environnement « désordonné » présente un grand intérêt pour ceux qui souhaitent rendre la technologie de l'information quantique plus résiliente. Kurian dit avoir eu des conversations avec plusieurs chercheurs en technologie quantique qui ont été surpris de découvrir un tel lien dans les sciences biologiques.
"Ces nouveaux résultats intéresseront la vaste communauté de chercheurs en systèmes quantiques ouverts et en calcul quantique, car les méthodes théoriques utilisées dans cette étude sont largement utilisées dans ces domaines pour comprendre les réseaux quantiques complexes dans des environnements bruyants", a déclaré le professeur Nicolò Defenu. de l'École polytechnique fédérale de Zurich (ETH) en Suisse, un chercheur quantique qui n'était pas associé aux travaux.
"C'est vraiment fascinant de voir un lien vital entre l'informatique quantique et les systèmes vivants."
Les travaux ont également attiré l'attention du physicien quantique Marlan Scully, pionnier du laser dans le domaine de l'optique quantique et l'un des principaux experts en matière de superradiance.
"La superradiance à photon unique promet de produire de nouveaux outils pour stocker l'information quantique, et ce travail présente ses effets dans un contexte totalement nouveau et différent", a déclaré Scully. "Nous examinerons certainement de près les implications des effets quantiques dans les systèmes vivants dans les années à venir."
Plus d'informations : N. S. Babcock et al, Superradiance ultraviolette des méga-réseaux de tryptophane dans les architectures biologiques, The Journal of Physical Chemistry B (2024). DOI :10.1021/acs.jpcb.3c07936
Informations sur le journal : Journal de Chimie Physique B
Fourni par l'Université Howard
