Rilevate in una biomolecola le proprietà di un’onda quantica

I fisici hanno osservato una catena di 15 amminoacidi interferire con se stessa, in un esperimento che apre la strada a una nuova era della biologia quantistica.

di Emerging Technology from the arXiv

Uno dei grandi enigmi controintuitivi della meccanica quantistica è la dualità onda-particella, il fenomeno in cui gli oggetti si comportano sia come particelle che come onde.

Numerosi esperimenti hanno dimostrato che una singola particella, ad esempio un elettrone o un fotone, può interferire con se stessa, come un’onda. L’esperimento a doppia fenditura, in cui una particella attraversa due fenditure contemporaneamente, è una famosa dimostrazione di questo fenomeno.

Poiché tutti gli oggetti sono fondamentalmente di natura quantica, tutti sono dotati di una lunghezza d’onda. In linea di principio, quindi, anche gli oggetti macroscopici dovrebbero manifestare questa dualità onda-particella, se studiati con strumenti capaci della necessaria sensibilità.

I fisici non sono ancora riusciti a mettere insieme un metodo che renda possibile misurare la natura ondulatoria di oggetti molto grandi, ma nemmeno ci hanno rinunciato. Nel 1999, è stata dimostrata la natura duale onda-particella delle molecole di fullerene. Da allora, altri gruppi hanno fatto lo stesso con molecole ancora più grandi. La domanda è: è possibile misurare le proprietà quantistiche delle molecole della vita stessa?

La risposta giunge dagli studi di Armin Shayeghi, dell’Università di Vienna, e colleghi, che per la prima volta, hanno dimostrato l’esistenza di interferenze quantiche nelle molecole di gramicidina, un antibiotico naturale composto da 15 aminoacidi. La loro ricerca apre la strada allo studio delle proprietà quantistiche delle biomolecole e pone le basi per esperimenti che sfruttano la natura quantistica degli enzimi, del DNA e forse un giorno semplici forme di vita come i virus.

In linea di principio, l’esperimento di Shayeghi e colleghi appare semplice. Si tratta di creare un fascio di molecole ultra-fredde di gramicidina, per poi misurare il modello di interferenza generato dall’interferenza del raggio con se stesso. Questo modello di interferenza diviene una chiara prova della natura ondulatoria delle molecole. Più semplice a dirsi che a farsi.

La creazione di un fascio di singole biomolecole è resa complessa dalla fragilità. Shayeghi e colleghi ci sono riusciti rivestendo il bordo di una ruota con un sottile strato di gramicidina contro cui hanno successivamente hanno inviato una serie di brevi impulsi laser, nell’ordine dei femtosecondi, per far cadere le biomolecole dalla ruota senza danno. Le molecole di gramicidina fluttuanti vengono quindi spazzate via da un fascio di atomi di argon che viaggiano alla velocità di 600 metri al secondo. In questo raggio, la gramicidina manifesta una lunghezza d’onda di 350 femtometri (1 femtometro equivale a 1×10-15 metri).

Il passo finale è misurare il modello di interferenza creato dalle molecole di gramicidina. È stata forse la parte più difficile. La lunghezza d’onda del raggio è circa un millesimo della lunghezza d’onda delle biomolecole stesse (misurata calcolando possono essere compattate assieme). Serve quindi una tecnica capace di misurare modelli su questa scala.

I ricercatori hanno misurato le dimensioni del modello di interferenza utilizzando una tecnica straordinariamente sensibile chiamata interferometria Talbot-Lau. I risultati sono stati convincenti. “La coerenza molecolare è delocalizzata su uno spazio 20 volte maggiore rispetto alle dimensioni delle molecole”, spiegano Shayeghi e colleghi. Questo tipo di “sbavatura” delle biomolecole sarebbe impossibile se le molecole di gramicidina fossero di natura puramente corpuscolare, è possibile solo con interferenze di natura ondulare.

Altri ricercatori hanno misurato la dualità onda-particella in molecole più grandi, ma le tecniche utilizzate per farlo farebbero a pezzi le delicate molecole della vita. La nuova tecnica consentirà uno studio più dettagliato delle proprietà quantistiche delle biomolecole.

“Il successo dell’esperimento apre la strada alla metrologia molecolare su scala quantistica e, in particolare, alla spettroscopia ottica di una grande classe di molecole biologicamente rilevanti”, dichiarano i ricercatori. La nuova ricerca promette grandi progressi nello studio dei processi incredibilmente complessi alla base dei macchinari della vita.

Per approfondire: Matter-Wave Interference Of A Native Polypeptide

Immagine: Dualità onda particella

(lo)

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