生命の仕組みの謎を解き明かす

量子生物学は、量子効果が生物学的プロセスにどのような影響を与えるかを調査し、医学やバイオテクノロジーのブレークスルーにつながる可能性があります。 量子効果は生物学的システムでは急速に消えるという仮定にもかかわらず、研究はこれらの効果が生理学的プロセスにおいて重要な役割を果たすことを示唆しています。 これにより、これらのプロセスを操作して非侵襲的な遠隔制御の治療装置を作成できる可能性が開かれます。 ただし、これを達成するには、科学研究に対する新しい学際的なアプローチが必要です。

携帯電話を使用して自分自身の細胞の活動を制御し、怪我や病気を治療することを想像してみてください。 あまりにも楽観的な SF 作家の想像力から生まれたもののように聞こえます。 しかし、これは量子生物学という新興分​​野を通じていつか可能になるかもしれません。

過去数十年にわたって、科学者はタンパク質のフォールディングから遺伝子工学に至るまで、ますます小さなスケールでの生物学的システムの理解と操作において驚くべき進歩を遂げてきました。 しかし、量子効果が生命システムにどの程度影響を与えるかは、ほとんど解明されていない。

量子効果とは、古典物理学では説明できない原子と分子の間に起こる現象です。 ニュートンの運動法則のような古典力学の法則が原子スケールで崩れることは、1世紀以上前から知られていました。 代わりに、小さな物体は量子力学として知られる別の法則に従って動作します。

量子力学は原子や分子の性質を説明します。

巨視的な世界、つまり肉眼で見えるものしか認識できない人間にとって、量子力学は直感に反し、なんだか魔法のように見えるかもしれません。 量子の世界では、電子が小さなエネルギー障壁を「トンネル」して無傷で反対側に現れたり、重ね合わせと呼ばれる現象で同時に 2 つの異なる場所に存在したりするなど、予想外のことが起こります。

私は量子エンジニアとしての訓練を受けています。 量子力学の研究は通常、テクノロジーを対象としています。 しかし、少し驚くべきことに、自然が、何十億年もの実践を積んだ技術者が、最適に機能するために量子力学を使用する方法を学習したという証拠が増えています。 これが本当に真実であるならば、それは生物学に対する私たちの理解が根本的に不完全であることを意味します。 それはまた、生物物質の量子特性を使用することで生理学的プロセスを制御できる可能性があることを意味します。

生物学における量子性はおそらく現実である

研究者は量子現象を操作して、より優れたテクノロジーを構築できます。 実際、あなたはすでにレーザーポインターから量子力の世界に住んでいます。[{” attribute=””>GPS, magnetic resonance imaging and the transistors in your computer – all these technologies rely on quantum effects.

In general, quantum effects only manifest at very small length and mass scales, or when temperatures approach absolute zero. This is because quantum objects like atoms and molecules lose their “quantumness” when they uncontrollably interact with each other and their environment. In other words, a macroscopic collection of quantum objects is better described by the laws of classical mechanics. Everything that starts quantum dies classical. For example, an electron can be manipulated to be in two places at the same time, but it will end up in only one place after a short while – exactly what would be expected classically.

電子は同時に 2 つの場所に存在できますが、最終的には 1 つの場所に集まります。

したがって、複雑でノイズの多い生物学的システムでは、ほとんどの量子効果は急速に消滅し、物理学者エルヴィン・シュレディンガーが「細胞の暖かく湿った環境」と呼んだ環境で洗い流されることが予想されます。 ほとんどの物理学者にとって、生物世界が高温と複雑な環境で機能するという事実は、生物学が古典物理学によって適切かつ完全に記述できることを意味します。つまり、おかしな障壁を越えたり、同時に複数の場所に存在したりすることはありません。

しかし、化学者たちは長い間、異なる意見を求めてきました。 室温での基本的な化学反応に関する研究は、タンパク質や遺伝物質などの生体分子内で起こるプロセスが量子効果の結果であることを明確に示しています。 重要なのは、そのようなナノスケールで短命な量子効果は、生物学者が生きた細胞や生物で測定したいくつかの巨視的な生理学的プロセスの推進と一致していることです。 研究では、量子効果が、酵素活性の調節、磁場の感知、細胞代謝、生体分子の電子輸送などの生物学的機能に影響を与えることが示唆されています。

量子生物学の勉強方法

微妙な量子効果が生物学的プロセスを微調整できるという興味深い可能性は、科学者にとって刺激的な新境地であると同時に挑戦でもあります。 生物学における量子力学効果の研究には、生理学的変化を引き起こす短い時間スケール、短い長さのスケール、および量子状態の微妙な違いを測定できるツールが必要であり、これらすべてが従来のウェットラボ環境内に統合されています。

私の仕事では、電子のような小さなものの量子特性を研究および制御するための機器を構築しています。 電子には質量と電荷があるのと同じように、スピンと呼ばれる量子特性もあります。 電荷が電子が電場とどのように相互作用するかを定義するのと同じように、スピンは電子が磁場とどのように相互作用するかを定義します。 私が大学院時代から構築し、現在は自分の研究室で構築してきた量子実験は、調整された磁場を適用して特定の電子のスピンを変化させることを目的としています。

研究により、多くの生理学的プロセスが弱い磁場の影響を受けることが実証されています。 これらのプロセスには、幹細胞の発生と成熟、細胞増殖速度、遺伝物質の修復、その他無数のプロセスが含まれます。 磁場に対するこれらの生理学的反応は、分子内の特定の電子のスピンに依存する化学反応と一致しています。 したがって、弱い磁場を印加して電子スピンを変化させると、化学反応の最終生成物を効果的に制御でき、重要な生理学的結果がもたらされます。

鳥は航行に量子効果を利用します。

現時点では、そのようなプロセスがどのように機能するかについての理解が不足しています。[{” attribute=””>nanoscale level prevents researchers from determining exactly what strength and frequency of magnetic fields cause specific chemical reactions in cells. Current cellphone, wearable and miniaturization technologies are already sufficient to produce tailored, weak magnetic fields that change physiology, both for good and for bad. The missing piece of the puzzle is, hence, a “deterministic codebook” of how to map quantum causes to physiological outcomes.

In the future, fine-tuning nature’s quantum properties could enable researchers to develop therapeutic devices that are noninvasive, remotely controlled and accessible with a mobile phone. Electromagnetic treatments could potentially be used to prevent and treat disease, such as brain tumors, as well as in biomanufacturing, such as increasing lab-grown meat production.

A whole new way of doing science

Quantum biology is one of the most interdisciplinary fields to ever emerge. How do you build community and train scientists to work in this area?

Since the pandemic, my lab at the University of California, Los Angeles and the University of Surrey’s Quantum Biology Doctoral Training Centre have organized Big Quantum Biology meetings to provide an informal weekly forum for researchers to meet and share their expertise in fields like mainstream quantum physics, biophysics, medicine, chemistry and biology.

Research with potentially transformative implications for biology, medicine and the physical sciences will require working within an equally transformative model of collaboration. Working in one unified lab would allow scientists from disciplines that take very different approaches to research to conduct experiments that meet the breadth of quantum biology from the quantum to the molecular, the cellular and the organismal.

The existence of quantum biology as a discipline implies that traditional understanding of life processes is incomplete. Further research will lead to new insights into the age-old question of what life is, how it can be controlled and how to learn with nature to build better quantum technologies.

Written by Clarice D. Aiello, Quantum Biology Tech (QuBiT) Lab, Assistant Professor of Electrical and Computer Engineering, University of California, Los Angeles.

This article was first published in The Conversation.