elektron

DNA is in staat kwantumspin waar te nemen. Interessant voor knutselwerk op nanoniveau, maar de implicaties reiken nog veel verder. De processen in levende cellen blijken veel subtieler en fragieler dan tot nu toe werd vermoed…

Kwantumprocessen in biologische moleculen

Kwantumprocessen vinden over het algemeen plaats in extreem kleine systemen: atomen of erg kleine moleculen. Om ze te onderzoeken, moeten onderzoekers het materiaal gewoonlijk koelen tot temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt. Zodra zo een systeem een bepaalde grootte of temperatuur overschrijdt, stort de kwantumgolffunctie ineen en gedraagt het systeem zich als een klassiek natuurkundig systeem (zoals in het dagelijk leven). Het is dus niet waarschijnlijk dat uitgerekend de zeer grote biologische moleculen die in levende wezens voorkomen, kwantumgedrag zouden vertonen en al helemaal niet bij kamertemperatuur. men zou verwachten dat een fragiele kwantumeigenschap als spin bij deze temperatuur en complexiteit zou worden vernietigd – en dus irrelevant zijn voor hun werking, aldus onderzoeker Naaman.

DNA-kurkentrekker filtert elektronen op spin
Biologische moleculen hebben echter nog een eigenschap: chiraliteit. Ze kunnen linksom of rechtsom gedraaid zijn. Wellicht herinner je je uit de scheikundeles een proefje waarbij de effecten van linksdraaiende en rechtsdraaiende moleculen  op gepolariseerd licht worden vastgesteld. Deze eigenschap blijkt nu niet alleen licht, maar ook elektronen te beïnvloeden, ontdekte Naaman. DNA, dat de vorm heeft van een wenteltrap of dubbele spiraal, is zelfs dubbel chiraal: zowel elke ketting nucleïnezuren als de spiraal als geheel vertonen chiraliteit. Al langer was bekend dat chirale moleculen verschillend reageren op linkstollende of rechtstollende elektronen (spin up of spin down). Gezien de chirale eigenschappen van DNA werd hetzelfde effect in DNA verwacht.

DNA als spindetector
Het onderzoeksteam uit Israël, Duitsland en de VS waar Naaman deel van uitmaakt, nam de proef op de som. Hiertoe brachten ze een enkel laagje DNA m.b.v. een zelfassemblageproces aan op een goudlaagje. Het team ontdekte dat DNA inderdaad opmerkelijk effectief is in het filteren van elektronen met een bepaalde spin. Hoe langer de DNA-helix, hoe effectiever. Een enkele streng DNA of beschadigd DNA vertoonde deze opmerkelijke eigenschap niet. Dit betekent dat het de spiraalstructuur van DNA is die de filtereigenschap veroorzaakt.  DNA is volgens Naaman in feite een uitstekende “spin filter” en de ontdekkingen van het team kunnen zowel betekenis hebben voor biomedisch onderzoek en spintronica. Als bijvoorbeeld blijkt dat DNA alleen wordt beschadigd als de spin van elektronen in een bepaalde richting wijst, kan de experimentele omgeving zo worden veranderd dat dit wordt vermeden. Ook kan DNA -of vergelijkbare chirale moleculen – een centraal onderdeel gaan vormen van spintronica, een zeer energiezuinig alternatief voor elektronica dat echter nog in de kinderschoenen staat.

Bronnen
1. B. Gohler, V. Hamelbeck, T. Z. Markus, M. Kettner, G. F. Hanne, Z. Vager, R. Naaman, H. Zacharias. Spin Selectivity in Electron Transmission Through Self-Assembled Monolayers of Double-Stranded DNA. Science, 2011; 331 (6019): 894
2. DNA Can Discern Between Two Quantum States, Research Shows, Science Daily
3. Spinning Off DNA, Weizmann Institute, Israel