„Az élő rendszerek a rendezett tartományban, közel a káosz peremének közelében működnek”

– írta Stuart Kauffman amerikai elméleti biológus 1993-as könyvében. Ekkor még talán ő sem gondolta, hogy mennyire mélyreható elv lehet ez az élő szervezetekben.

Magyar kutatók azt állítják, hogy az élőlényeket felépítő és működtető fehérjék egy része a rend és rendezetlenség határán, kvantumkritikus állapotban létezik. Ezzel átmenetet képeznek az elektromos vezetők és szigetelők között, ami felgyorsíthatja és hatékonyabbá teheti a biokémiai reakciókat. Ez lehetett az a fizikai mechanizmus, amit Szent-Györgyi Albert Nobel-díjas biokémikus életének utolsó évtizedeiben keresett – de ezt a kritikus Anderson-állapotot a szilárdtestfizikusok csak később, a nyolcvanas évek közepén fedezték fel.

Papp Eszter doktorandusz és Vattay Gábor, az ELTE TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék vezetője az elmúlt években azt kívánták megfejteni, hogy miként haladnak át az elektronok a sokáig szigetelőknek hitt fehérjéken. Az általuk kidolgozott módszerrel megállapítható, hogy különböző fehérjék mely részei viselkednek vezetőkként, és melyek szigetelőkként. Ez megkönnyítheti miniatürizált bioelektronikai eszközök megalkotását, valamint elvezethet annak megértéséhez, hogy a biológia milyen módon aknázza ki a kvantummechanikai folyamatokat.

Ezzel kutatásuk közel nyolc évtizednyi tudományos gondolkodást visz tovább, aminek alapjait a kvantummechanika atyjának, Erwin Schrödingernek az 1944-es „Mi az élet?” című könyve, és Szent-Györgyi kvantumbiológia iránti mély érdeklődése fektette le. Bár a magyar Nobel-díjas végül nem tudta összekötni a kvantummechanikát a biológiával, Kauffman és Vattay 2010-es években folytatott együttműködése, az ezzel közel egy időben napvilágot látott kísérleti eredmények, és Papp fehérjékkel folytatott szimulációi ehhez visznek közelebb.

Ma egyre több eszközzel rendelkezünk a kvantumbiológiai folyamatok felderítésére, mondja Papp, ami elsősorban a számítógépek és a kísérleti eljárások radikális fejlődésének tudható be. Ezáltal a tudományág is elfogadottabbá vált, miközben lehetőség nyílt olyan módszerek kidolgozására, ami a fehérjék vezetési tulajdonságait mindössze a háromdimenziós szerkezetük alapján határozza meg.

Kvantumjelenségek segíthetik a fotoszintézist és a madarak tájékozódását

Papp az alapképzést biofizika szakirányon végezte el, és már akkor az foglalkoztatta, hogy a fizika milyen szerepet játszik a biológiai folyamatokban. Amikor meglátta, hogy Vattay kiírt egy kvantumbiológiával foglalkozó tudományos diákköri témát, felvette a kapcsolatot a kutatóval, aki Jim Al-Khalili brit fizikus professzor és tudományos ismeretterjesztő videóihoz irányította. Ezáltal Papp megismerkedett azokkal a felfedezésekkel, amiket szakemberek a 2000-es évek végén és a 2010-es évek elején tettek a kvantumbiológia területén, és ami Kauffman kvantumbiológia iránti érdeklődését is inspirálta.

Amerikai kutatók 2007-ben bizonyítékokat találtak arra, hogy a fényt kémiai energiává alakító fotoszintetikus komplexek kvantumjelenségeket mutatnak, ami megmagyarázhatja a fotoszintézis extrém hatékonyságát (mások ezt vitatták). Néhány évvel később fizikusok a madarak tájékozódását kezdték vizsgálni, és azt találták, hogy az állatok a mágneses teret kvantumkoherencia révén érzékelik – ami szobahőmérsékletű, nedves, élő rendszerekben korábban valószínűtlennek tűnt. 2021-re aztán az is kiderült, hogy a vörösbegy (Erithacus rubecula) retinájában található kriptokróm–4 fehérje úgynevezett kvantum spin-koherencián keresztül érzékeli a mágneses tér változásait, lehetővé téve a madaraknak a Föld mágneses terén alapuló tájékozódást.

Amikor Vattay 2010-ben Budapesten megismerkedett Kauffmannal, az amerikai elméleti biológus éppen azt próbálta megérteni, hogy mitől függhet az élőlényekben a kvantumdekoherencia – az az állapot, amikor a kvantumrendszerek a környezetükkel történő kölcsönhatás következtében elveszítik a szuperpozíciójukat. Vattay egy korábbi kutatás alapján azt javasolta, hogy a dekoherencia egy kaotikus rendszerben akkor minimális, ha annak paraméterei éppen a rend és rendezetlenség határán fekszenek. A Calgary Egyetem kvantumkémikusai segítségével néhány molekulán meg is nézték, hogy működhet-e ez, és Vattay meglepetésére kiderült, hogy igen.

Vattay és Kauffman a PLoS One folyóiratban 2014-ben megjelent közös tanulmányukban azt állították, hogy egyes, például a fotoszintetikus komplexekben lévő fehérjék az Anderson-féle fém-szigetelő átmenet kritikus pontján fekszenek. Ekkortájt fedezte fel a fehérjéket kísérleti úton vizsgáló Stuart Lindsay, az Arizonai Állami Egyetem biofizikus professzora és kutatócsoportja, hogy a fehérjék sokkal jobb vezetők, mint azt korábban gondolták, ami passzolt Vattay és Kauffman hipotéziséhez. Ezek együttesen a magyar fizikust arra sarkallták, hogy a kutatási irányt hallgatókkal folytassa, amihez kapóra jött Papp kvantummechanika és fehérjék iránti érdeklődése.