상해와 질병을 치료하기 위해 자신의 세포 활동을 제어하기 위해 휴대 전화를 사용한다고 상상해보십시오. 지나치게 낙관적인 공상 과학 작가의 상상에서 나온 것 같습니다. 그러나 이것은 양자 생물학이라는 새로운 분야를 통해 언젠가는 가능성이 될 수 있습니다.
지난 수십 년 동안 과학자들은 점점 더 작은 규모로 생물학적 시스템을 이해하고 조작하는 데 놀라운 발전을 이루었습니다. 단백질 접힘 에 유전 공학. 그러나 양자 효과가 살아있는 시스템에 영향을 미치는 정도는 거의 이해되지 않고 있습니다.
양자효과는 고전물리학으로 설명할 수 없는 원자와 분자 사이에서 일어나는 현상이다. 뉴턴의 운동 법칙과 같은 고전 역학의 규칙이 원자 규모로 분해. 대신 작은 물체는 다음과 같은 다른 법칙에 따라 행동합니다. 양자 역학.
거시적 세계나 육안으로 볼 수 있는 것만 인식할 수 있는 인간에게 양자역학은 반직관적이고 다소 마법처럼 보일 수 있습니다. 다음과 같이 양자 세계에서 예상하지 못한 일이 발생할 수 있습니다. 전자를 통해 "터널링" 작은 에너지 장벽과 손상되지 않은 반대편에 나타나거나 동시에 두 개의 다른 장소에 있는 것 중첩이라는 현상.
나는 로 훈련 양자 엔지니어. 양자 역학 연구는 일반적으로 기술에 맞춰져 있습니다. 그러나 다소 놀랍게도 수십억 년의 경험을 가진 엔지니어인 자연이 양자 역학을 사용하여 최적으로 작동. 이것이 사실이라면 그것은 생물학에 대한 우리의 이해가 근본적으로 불완전하다는 것을 의미합니다. 또한 생물학적 물질의 양자 특성을 사용하여 생리적 과정을 제어할 수 있음을 의미합니다.
생물학의 양자성은 아마도 실제일 것입니다
연구원은 양자 현상을 조작하여 더 나은 기술을 구축할 수 있습니다. 사실, 당신은 이미 양자로 움직이는 세상: 레이저 포인터에서 GPS, 자기 공명 영상 및 컴퓨터의 트랜지스터에 이르기까지 이러한 모든 기술은 양자 효과에 의존합니다.
일반적으로 양자 효과는 매우 작은 길이와 질량 규모 또는 온도가 절대 영도에 근접할 때만 나타납니다. 이것은 원자와 분자와 같은 양자 물체 때문입니다. "양자성"을 잃다 제어할 수 없이 서로 및 환경과 상호 작용할 때. 즉, 양자 물체의 거시적 집합은 고전 역학의 법칙으로 더 잘 설명됩니다. 양자를 시작하는 모든 것은 고전적으로 죽습니다. 예를 들어, 전자는 동시에 두 위치에 있도록 조작할 수 있지만 잠시 후에는 한 위치에만 있게 됩니다.
따라서 복잡하고 시끄러운 생물학적 시스템에서는 대부분의 양자 효과가 빠르게 사라지고 물리학자 Erwin Schrödinger가 "따뜻하고 습한 세포 환경.” 대부분의 물리학자들에게 살아있는 세계가 높은 온도와 복잡한 환경에서 작동한다는 사실은 생물학이 고전 물리학으로 적절하고 완전하게 설명될 수 있음을 의미합니다.
그러나 화학자들은 오랫동안 달라지기를 간청했습니다. 실온에서 기본 화학 반응에 대한 연구는 다음과 같이 명확하게 보여줍니다. 생체 분자 내에서 일어나는 과정 단백질 및 유전 물질과 같은 것은 양자 효과의 결과입니다. 중요한 것은 이러한 나노 수준의 단명 양자 효과는 생물학자들이 살아있는 세포와 유기체에서 측정한 일부 거시적인 생리학적 과정을 주도하는 것과 일치한다는 것입니다. 연구에 따르면 양자 효과는 다음을 포함한 생물학적 기능에 영향을 미칩니다. 효소 활성 조절, 자기장 감지, 세포 대사및 생체 분자의 전자 수송.
양자 생물학을 공부하는 방법
미묘한 양자 효과가 생물학적 과정을 조정할 수 있다는 감질나는 가능성은 과학자들에게 흥미진진한 미개척지이자 도전 과제를 제시합니다. 생물학에서 양자 역학 효과를 연구하려면 짧은 시간 척도, 작은 길이 척도 및 생리학적 변화를 일으키는 양자 상태의 미묘한 차이를 측정할 수 있는 도구가 필요하며, 모두 기존의 습식 실험실 환경에 통합되어 있습니다.
내 작품에, 저는 전자와 같은 작은 것의 양자 특성을 연구하고 제어하기 위한 도구를 만듭니다. 전자가 질량과 전하를 갖는 것과 같은 방식으로 전자도 스핀이라는 양자 속성. 스핀은 전하가 전자가 전기장과 상호 작용하는 방식을 정의하는 것과 같은 방식으로 전자가 자기장과 상호 작용하는 방식을 정의합니다. 내가 만든 양자 실험 대학원 때부터, 그리고 이제 내 연구실에서 맞춤형 자기장을 적용하여 특정 전자의 스핀을 변경하는 것을 목표로 합니다.
연구는 많은 생리적 과정이 약한 자기장의 영향을 받는다는 것을 입증했습니다. 이러한 프로세스에는 다음이 포함됩니다. 줄기 세포 개발 과 성숙, 세포 증식률, 유전 물질 수리및 수많은 다른 사람. 자기장에 대한 이러한 생리적 반응은 분자 내 특정 전자의 스핀에 의존하는 화학 반응과 일치합니다. 약한 자기장을 적용하여 전자 스핀을 변경하면 중요한 생리적 결과와 함께 화학 반응의 최종 생성물을 효과적으로 제어할 수 있습니다.
현재 이러한 프로세스가 나노스케일 수준에서 어떻게 작동하는지에 대한 이해 부족으로 인해 연구자들은 자기장의 강도와 빈도가 세포에서 특정 화학 반응을 일으키는 원인을 정확히 결정할 수 없습니다. 현재 휴대폰, 웨어러블 및 소형화 기술은 이미 생산하기에 충분합니다. 생리를 변화시키는 맞춤형 약한 자기장, 좋든 나쁘 든. 따라서 퍼즐의 빠진 조각은 양자 원인을 생리학적 결과에 매핑하는 방법에 대한 "결정론적 코드북"입니다.
미래에는 자연의 양자 특성을 미세 조정하여 연구원들이 비침습적이고 원격으로 제어되며 휴대폰으로 액세스할 수 있는 치료 장치를 개발할 수 있습니다. 전자기 치료는 잠재적으로 다음과 같은 질병을 예방하고 치료하는 데 사용될 수 있습니다. 뇌종양, 뿐만 아니라 다음과 같은 생물제조 분야에서 실험실에서 재배한 육류 생산 증가.
과학을 수행하는 완전히 새로운 방식
양자 생물학은 지금까지 등장한 가장 학제 간 분야 중 하나입니다. 어떻게 커뮤니티를 구축하고 과학자들이 이 분야에서 일하도록 교육합니까?
팬데믹 이후 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스의 제 연구실과 서리 대학교의 양자 생물학 박사 교육 센터는 큰 양자 생물학 회의 연구자들이 주류 양자 물리학, 생물 물리학, 의학, 화학 및 생물학과 같은 분야에서 만나 전문 지식을 공유할 수 있는 비공식 주간 포럼을 제공합니다.
생물학, 의학 및 물리 과학에 잠재적으로 변혁적인 영향을 미치는 연구는 똑같이 변혁적인 협업 모델 내에서 작업해야 합니다. 하나의 통합된 실험실에서 작업하면 연구에 대해 매우 다른 접근 방식을 취하는 분야의 과학자들이 양자에서 분자, 세포 및 유기체에 이르기까지 양자 생물학의 폭을 충족하는 실험을 수행할 수 있습니다.
학문으로서의 양자 생물학의 존재는 생명 과정에 대한 전통적인 이해가 불완전하다는 것을 의미합니다. 추가 연구는 생명이 무엇인지, 어떻게 제어할 수 있는지, 더 나은 양자 기술을 구축하기 위해 자연과 함께 배우는 방법에 대한 오래된 질문에 대한 새로운 통찰력으로 이어질 것입니다.
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