Bactérias podem ser os primeiros organismos vistos usando efeitos quânticos para sobreviver

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Créditos: Kateryna Kon / Science Photo Library / Getty Images.

Por Mike McRae
Publicado na ScienceAlert

O oxigênio é vida para animais como nós. Mas, para muitas espécies de micróbios, a menor presença do elemento altamente reativo coloca sua delicada maquinaria química em risco de enferrujar.

A bactéria fotossintética Chlorobium tepidum desenvolveu uma maneira inteligente de proteger seus processos de captação de luz dos efeitos tóxicos do oxigênio, usando um efeito quântico para mudar sua linha de produção de energia para uma marcha lenta.

Um estudo conduzido por cientistas da Universidade de Chicago e da Universidade de Washington em St. Louis (EUA) mostrou como a bactéria cria obstáculos em sua ressonância quântica para “sintonizar” seu sistema de modo que perca energia na presença de oxigênio, evitando que ele destrua seu aparelho fotossintético.

Nossa experiência cotidiana com a realidade parece estar a um milhão de quilômetros de distância da paisagem fantasmagórica dos efeitos quânticos, onde a natureza de um objeto é um borrão de possibilidades até que uma observação o coloque no lugar.

Longe de esferas sólidas andando juntas, as partículas que constituem nossos átomos e moléculas ressoam nas possibilidades, recusando-se a se estabelecer até que os dados do acaso se acumulem de forma suficiente para que uma determinada reação se torne inevitável.

Embora tudo isso esteja claro, permanecem questões sobre a frequência com que algo tão complexo como um sistema vivo explora ativamente as características mais sutis da mecânica quântica em nome da sobrevivência.

“Antes deste estudo, a comunidade científica viu sinais quânticos gerados em sistemas biológicos e fez a seguinte pergunta: esses resultados eram apenas uma consequência da biologia sendo construída a partir de moléculas, ou eles tinham um propósito?”, explicou o químico Greg Engel da Universidade de Chicago.

As evidências de que os efeitos quânticos podem ser integrados aos sistemas vivos vêm se acumulando há algum tempo.

Um estudo recente mostrou como as mudanças em um campo magnético influenciam o spin de um elétron em proteínas sensíveis à luz chamadas criptocromos, um fenômeno que pode explicar como alguns animais podem detectar a magnetosfera do nosso planeta.

Identificar uma sutil influência quântica em uma reação sensorial é uma coisa. Mas observá-la no cerne da sobrevivência de um organismo é outra.

“Esta é a primeira vez que vemos a biologia explorando ativamente os efeitos quânticos”, disse Engel.

Como uma bactéria estritamente anaeróbica, C. tepidum não gosta de ter oxigênio fluindo livremente por suas entranhas. O que é útil para liberar energia da glicose dentro de nossas células destrói o mecanismo que transforma a luz em ligações químicas dentro do micróbio.

A chave para esta cadeia de reações transformativas é um agrupamento de proteínas e pigmentos chamado complexo de Fenna-Matthews-Olson (FMO). Ele atua como um mediador entre os componentes de captação de luz do sistema e a “usina” de energia, onde a energia é convertida em química.

Inicialmente, pensava-se que o FMO depende da coerência quântica para fazer seu trabalho, combinando a natureza ondulatória das partículas para facilitar a transferência de elétrons de forma eficiente.

Estudos posteriores forçaram cientistas a repensar o papel desse fenômeno estritamente quântico na operação do FMO, alegando que a coerência quântica pode na verdade retardar todo o processo.

Nesta última exploração da coerência quântica dentro do FMO, os pesquisadores estão levando em consideração o efeito que o oxigênio pode ter em todo o sistema.

Usando uma técnica de espectroscopia a laser ultrarrápida para capturar detalhes sobre a atividade do complexo, a equipe mostrou como a presença de oxigênio pode mudar a forma como a energia é “direcionada” dos componentes de captação de luz para o centro de reação.

Eles descobriram que um par de moléculas de cisteína estava no centro da operação, agindo como um gatilho ao liberar um próton sempre que reagiam com qualquer oxigênio que estivesse presente.

Este próton perdido afetou diretamente os mecanismos quânticos dentro do complexo FMO, efetivamente embaralhando a energia para longe de áreas que, de outra forma, estariam expostas à oxidação.

Embora signifique que a bactéria está temporariamente privada de energia, a interrupção quântica força a célula a prender a respiração até que possa estar livre dos efeitos tóxicos do oxigênio.

“A simplicidade do mecanismo sugere que ele pode ser encontrado em outros organismos fotossintéticos nesse cenário evolutivo”, disse o autor principal Jake Higgins, um estudante de graduação do Departamento de Química da Universidade de Chicago.

“Se mais organismos forem capazes de modular dinamicamente acoplamentos mecânicos quânticos em suas moléculas para produzir mudanças maiores na fisiologia, poderia haver todo um novo conjunto de efeitos selecionados pela natureza que ainda não conhecemos”.

Talvez haja um mundo inteiro de biologia quântica apenas esperando para ser descoberto.

Esta pesquisa foi publicada no PNAS.