Ein international tätiges Forschungsteam, bestehend aus den Universitäten Münster, Ulm und der Hebrew University of Jerusalem, hat ein hochmodernes Projekt ins Leben gerufen, das sich mit den quantenphysikalischen Effekten in biologischen Energieprozessen auseinandersetzt. Dies wird unter einem Förderprogramm der VolkswagenStiftung mit über zwei Millionen Euro ermöglicht. Der Hauptforschende, Professor Martin Plenio von der Universität Ulm, wird dabei von Professor Helmut Zacharias, der die Koordination übernimmt, sowie Professor Michael Hippler und Professor Yossi Paltiel unterstützt. Jeder der Mitarbeitenden erhält rund eine halbe Million Euro zur Unterstützung ihrer Grundforschung.

Das Projekt untersucht speziell, wie Quanteneffekte, insbesondere die Spin-Effekte, den Elektronentransport innerhalb von Zellen beeinflussen können. Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen und hat das Potenzial, den Elektronentransport zu beschleunigen oder zu verlangsamen. Die Stärke und Ausrichtung dieser magnetischen Effekte sind von der spezifischen Struktur der beteiligten (Bio)Moleküle abhängig, was zu einem tiefen Verständnis der Grundlagen biochemischer Prozesse führen könnte.

Chiralität und ihre Relevanz

Ein zentraler Aspekt des Projekts ist die Chiralität, ein strukturelles Phänomen, das sich auf den räumlichen Aufbau von Molekülen bezieht. Chiralität bedeutet, dass biomolekulare Strukturen in zwei spiegelbildlichen Formen existieren – bekannt als linkshändige und rechtshändige Formen. Es ist faszinierend zu beachten, dass Aminosäuren in biologischen Systemen meist „linkshändig“ (L-Aminosäuren) vorkommen, während Zuckermoleküle überwiegend „rechtshändig“ sind. Diese Chiralität spielt eine entscheidende Rolle in der Spezifität biologischer Prozesse – Elektronen in chiralen Molekülen präferieren bestimmte Spinrichtungen, die als Spinfilter fungieren.

Ein bemerkenswerter Aspekt des Forschungsprojekts ist der sogenannte CISS-Effekt, was für chiralitätsinduzierte Spin-Selektivität steht. Dieser Effekt ist besonders relevant für den Elektronentransport in biologischen Prozessen wie der Photosynthese, der Zellatmung und enzymatischen Reaktionen, etwa bei der Wasserstofferzeugung in Algen.

Die Forschung verfolgt das Ziel, Quantenphänomene in biologischen Systemen nachzuweisen. Die Herausforderungen dabei sind nicht zu unterschätzen, insbesondere, da unerwünschte Nebenreaktionen oft mit einem „falschen“ Spin verbunden sind. Eine Untersuchung zur Chiralität des Lebens hat in der Wissenschaftsgeschichte bereits mehrere prominente Akteure angezogen. Louis Pasteur, William Thomson (Lord Kelvin) und Pierre Curie gehören zu den Pionieren, die sich mit diesem Thema befassten, auch wenn bislang keine vollständige Erklärung für das Phänomen der Chiralität im Leben gefunden wurde.

Verborgene Mechanismen und experimentelle Ansätze

Aktuelle Forschungsansätze deuten darauf hin, dass ein Wechselspiel zwischen elektrischen und magnetischen Feldern die Präferenz für eine der beiden chiralen Formen beeinflussen könnte. Erste experimentelle Befunde legen nahe, dass solche Kräfte zwischen den spiegelbildlichen Molekülen signifikante Unterschiede hervorrufen können. In einer experimentellen Untersuchung wurden chirale Moleküle auf metallischen Oberflächen mit starkem elektrischem Feld analysiert, wobei magnetische Metalle wie Eisen, Kobalt und Nickel wichtige Rollen spielten.

Die Beläge der Moleküle auf Kobaltinseln haben gezeigt, dass je nach Richtung der Magnetisierung vertrauenswürdig eine der beiden Helizenformen zur Anwendung kommt. Die Ergebnisse des experimentellen Aufbaus zeigten, wie struktureller Magnetismus die Bindung durch Van-der-Waals-Kräfte beeinflussen kann und damit den Elektronentransport maßgeblich steuert.

Diese Zusammenhänge sind von großer Bedeutung für die Quantenbiologie, ein Teilgebiet der Biophysik, das sich mit den Wechselwirkungen zwischen Quanten und lebenden Zellen befasst. Die Ursprünge dieser Disziplin reichen in das frühe 20. Jahrhundert zurück, mit bedeutenden Wissenschaftlern wie Niels Bohr, der 1927 das Konzept der Komplementarität einführte. Die Studien zur Quantenmechanik haben nicht nur die Physik, sondern auch die Biologie nachhaltig geprägt.

Zusammenfassend zeigt das Projekt, das mit einem Kick-off-Meeting am 10. und 11. Februar in Hannover begonnen hat, eindrucksvoll die Verknüpfung von Quantenphysik und biologischen Prozessen. Die Forscher hoffen, grundlegende Quanteneffekte in biologischen Systemen zu erkennen und die Grenzen der bisherigen Forschungsansätze zu überwinden, um ein tieferes Verständnis der Lebensprozesse zu erreichen.

In der Biologie könnte das Verständnis von Chiralität und Quanteneffekten schließlich zu neuen Perspektiven und Technologien führen, die sich auf die Grundlagen der Biomoleküle stützen.