Een onderzoeksteam onder leiding van professor Yossi Paltiel van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem en een onderzoeksteam van Weizmann en IST in Oostenrijk hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd dat de aanzienlijke impact van nucleaire spin op biologische activiteiten aan het licht bracht. De ontdekking daagt lang gekoesterde aannames uit en opent opwindende mogelijkheden voor vooruitgang in de biotechnologie en de kwantumbiologie.
Onderzoekers hebben een aanzienlijke impact ontdekt van kernspin op biologische processen, met name de zuurstofdynamiek in chirale omgevingen. Deze doorbraak zal een revolutie teweegbrengen in de biotechnologie, de kwantumbiologie, de scheiding van isotopen en de technologie voor nucleaire magnetische resonantie. Bron: Proceedings van de National Academy of Sciences
Wetenschappers hebben lang geloofd dat kernspin geen effect heeft op biologische processen. Recent onderzoek heeft echter aangetoond dat bepaalde isotopen zich anders gedragen, afhankelijk van hun kernspin. Het onderzoeksteam concentreerde zich op stabiele zuurstofisotopen (16O, 17O, 18O) en ontdekte dat kernspin een aanzienlijke invloed heeft op de dynamiek van zuurstof in chirale omgevingen, vooral tijdens zuurstoftransport.
De bevindingen, gepubliceerd in de prestigieuze Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), hebben potentiële implicaties voor gecontroleerde isotopenscheiding en kunnen een revolutie teweegbrengen in de nucleaire magnetische resonantie (NMR) technologie.
Hoofdonderzoeker professor Yossi Paltiel uitte zijn opwinding over de implicaties van deze bevindingen. Hij zei: "Ons onderzoek toont aan dat kernspin een cruciale rol speelt in biologische processen, wat suggereert dat het manipuleren van kernspin zou kunnen leiden tot baanbrekende toepassingen in de biotechnologie en de kwantumbiologie. Dit heeft het potentieel om het isotopenfractioneringsproces radicaal te veranderen en nieuwe mogelijkheden te bieden op gebieden zoals nucleaire magnetische resonantie."
Onderzoekers hebben het ‘vreemde’ gedrag van kleine deeltjes in levende wezens bestudeerd. Het bestuderen van kwantumeffecten in de navigatie van vogels kan bijvoorbeeld sommige vogels helpen hun weg te vinden op lange reizen. In planten is het efficiënte gebruik van zonlicht voor energie onderhevig aan kwantumeffecten.
Deze verbinding tussen de wereld van kleine deeltjes en levende wezens gaat waarschijnlijk miljarden jaren terug, toen het leven begon te ontstaan en moleculen met speciale vormen, bekend als chiraliteit, werden geboren. Chiraliteit is belangrijk omdat alleen moleculen met de juiste vorm de taken kunnen uitvoeren die ze in levende organismen moeten doen.
Het verband tussen chiraliteit en kwantummechanica wordt gevonden in 'spin', dat werkt als een kleine vorm van magnetisme. Chirale moleculen kunnen op verschillende manieren met deeltjes interageren, afhankelijk van hun spin, wat "chiraliteit-geïnduceerde spinselectiviteit" (CISS) wordt genoemd.
Wetenschappers hebben ontdekt dat spin kleine deeltjes zoals elektronen beïnvloedt in levensprocessen waarbij chirale moleculen betrokken zijn. Ze wilden onderzoeken of spin ook grotere deeltjes beïnvloedt, zoals ionen en moleculen, die aan de basis liggen van biologisch transport. Daarom voerden ze experimenten uit met waterdeeltjes met verschillende spins. De resultaten laten zien dat spin van invloed is op hoe water zich in cellen gedraagt, waarbij water met verschillende snelheden de cellen binnendringt en op unieke manieren reageert als er chirale moleculen bij betrokken zijn.
Deze studie benadrukt het belang van spin in levensprocessen. Het begrijpen en beheersen van spin kan grote gevolgen hebben voor de manier waarop levende wezens werken. Het kan ook de medische beeldvorming helpen verbeteren en nieuwe manieren creëren om ziekten te behandelen.