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最新研究:细菌中的蛋白质如何选择电子的量子

作者:admin 发布时间:2020-07-19 18:35

许多人可能会感到奇怪:细菌与蛋白质怎么跟电子的量子自旋挂上钩了呢?前者是生物学范畴,后者是量子物理学范畴,两者看起来毫无关系。

最近,美国南加州大学文理学院和以色列魏茨曼科学研究院的科学家们发现,将细菌细胞连接至固体表面的蛋白质“连线”,倾向于通过特定的量子自旋状态来传递电子,细菌犹如量子自旋的医生。他们这一研究成果作为封面特刊登载在最近的《美国化学学会杂志》上 。

学过量子力学的人都知道,在量子力学中,自旋是粒子所具有的内禀性质,其运算规则类似于经典力学的角动量,并因此产生一个磁场。一些电子会旋转“向上”,而另一些电子会旋转“向下”。多亏了量子力学,科学家们已经知道自旋大约一个世纪了。

我们许多人都知道,科学家可以通过一些方法改变电子的量子自旋方向,比如通过磁场的影响,将其从上往下翻转或从下往上翻转。现在科学家们发现,自旋如此往上或往下翻转并不需要很多条件,甚至细菌细胞也可以做到。

研究人员指出,这种选择电子的量子自旋的能力可能会对细菌在生物技术产业中的使用以及在创建基于细菌的能量电池以及未来的电子技术的新兴努力中产生影响。

科学家们一直在研究某些细菌可以利用固体表面,比如生活在岩石上,就像动物利用氧气呼吸一样。细菌没有将代谢过程中产生的电子倾倒到吸入的氧气分子上,而是将电子沿着专门的蛋白质向下传输,这些蛋白质插入外表面。

研究人员说:“与大多数能够使用氧气作为电子受体的生物不同,这些细菌将电子转移到固体矿物质上,正如像我们的实验一样,将电子转移到细胞外的固体电极上。”如果用新陈代谢的术语讲,它们是在“呼吸”矿物质或电极。

为了到达外表面,电子穿梭在形成的电导管的各种蛋白质分子中。这些蛋白质具有磁场,当电子穿梭时,磁场会促进特定的量子自旋。科学家发现,这些磁场受称为“手性”的蛋白质特性的影响。

“手性”是指在科学中很重要的不对称性质。我们的“手”,是一种熟悉的手性对象。如果一个对象或一个系统与它的镜像可以区分,则是手性的。也就是说,它不能叠加在上面。相反,非手性物体,例如球体的镜像无法与该物体区分开。手性物体及其镜像称为对映体。非手性对象可以叠加在其非镜像对象上。

许多分子,特别是生物分子,以两种形式出现,彼此互为镜像。科学家称之为“手性”。它类似于人类的双手。左右手有四个手指和一个拇指,但它们并不完全相同。它们都是手,但彼此是方向相反的镜像。

蛋白质的左撇子或右撇子可能会影响电子在穿梭通过蛋白质时所经历的磁场的极性。研究人员说,这就是沿着蛋白质线传播的那些电子到达岩石呼吸细菌外部的情况。这项研究是第一个证实这些细胞中的导电蛋白在选择电子自旋的研究。

研究团队研究了这些“呼吸岩石”的细菌多年,有一天可能被用来产生可持续的能量。研究人员说,发现这些细菌中的电子导电蛋白可以根据它们的手性来选择特定的电子自旋,这可能有助于开发某些称为“自旋电子学”的电子设备。自旋电子学不仅使用电子电荷,还使用其量子自旋,在量子计算中可能特别有用。

研究人员表示:“正在不断寻找可以用作自旋电子新技术基础的材料。”“我们的工作表明细菌细胞色素可能是自旋电子学的有趣候选者。”了解蛋白质如何影响电子的量子自旋还可以帮助科学家了解磁场如何影响某些生物过程。

参考文章:“通过细菌细胞表面多血红素电子导管的自旋依赖性电子传输”登载刊物:《美国化学学会杂志》DOI: 10.1021/jacs.9b09262量子认知 | 最新科技知识介绍,敬请关注


 

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