抗生素物质波:复合多肽抗生素的量子波性质

2020-08-01 02:05 admin

抗生素是一种对细菌有活性的抗菌物质,是对抗细菌感染的最重要的抗菌剂。抗生素药物被广泛用于治疗和预防此类感染。它们可能杀死或抑制细菌的生长。

多肽抗生素是化学上种类繁多的包含非蛋白质多肽链的抗感染和抗肿瘤抗生素。 此类的例子包括放线菌素,杆菌肽,粘菌素等。

学过量子力学的都知道,量子力学的中心特征之一是波粒二象性。它告诉我们,即使宏观物体的行为也像粒子和波一样。过去的许多实验表明,这种现象适用于电子、中子、原子甚至大分子。量子理论认为这是物质的普遍性质。

然而,众所周知,将这样的波粒二象性的研究扩展到复杂的生物分子系统非常困难。在斯坦福大学的量子化学建模的支持下,维也纳大学的新实验现在首次证明了一种复杂的抗生素多肽的量子波性质。该研究结果发表在最近的《自然通讯》上。

波粒二象性是量子物理学中普遍存在的现象,它已经存在了近一个世纪,但当我们看到它在复杂物质中体现时,仍然引发困惑:一个物体如何在这里如波在那里如粒子?如果说量子物理学是一个普遍的理论:那么一个物体要保持这种反直觉的行为有多复杂?它是否仍然适用于较大的物质块,甚至还适用于生命的构成部分,例如肽和蛋白质?

维也纳大学的研究团队了开发先进的工具,用于发射、衍射、干扰和检测复杂分子。但是,到目前为止,测试具有长氨基酸链的量子物理学研究一直是令人望而却步。这必须克服与产生足够强度的这些生物聚合物束有关的挑战,将它们在高真空下与任何干扰环境隔离,并建立相关的工具来探测其量子性质。

在该研究论文中,维也纳大学的科学家们首次证明了天然多肽短杆菌肽,一种由15种共价结合的氨基酸制成的抗生素的量子干涉现象。他们成功的关键是使用超快速和强激光在肽分解之前使用解吸肽,并利用基于量子测量的衍射元素进行物波干涉测量技术(matter-wave interferometry)。

干涉测量技术(英语:Interferometry)是通过由波的叠加(通常为电磁波)引起的干涉现象来获取信息的技术。这项技术对于天文学、光纤、工程计量、光学计量、海洋学、地震学、光谱学及其在化学中的应用、量子力学、核物理学、粒子物理学、等离子体物理学、遥感、生物分子间的相互作用、表面轮廓分析、微流控、应力与应变的测量、测速以及验光等领域的研究都非常重要。

这些技术将为从蛋白质到DNA的更复杂的生物纳米材料铺平道路。这项研究的基本目的在于探索量子物理学的局限性以及建立新颖的量子增强技术,以作为气相中分离出的单个生物分子的微创分析工具。

具体的实验手段是通过飞秒级的短紫外线激光脉冲将易碎的分子从表面击落。粒子在冷氩原子射流中被扫开。短杆菌肽分子以高达每秒600 米的速度传播,然而短杆菌肽分子只有350飞米的微小波长,大约是生物分子本身直径的十分之一。研究人员使用一种非常敏感的技术,称为时域Talbot-Lau干涉测量法,来测量其量子条纹模式,发现分子相干性在超过分子大小20倍以上时被离域化了,这只能用量子力学来解释。

与斯坦福大学的科学家们合作,研究人员进行了其他高级的量子化学计算,证实了这一结论,并预测了进入相空间模拟以模拟干扰过程的电子结构和特性。

研究人员说:“我们的新技术将使人们能够对生物分子的量子特性进行详细研究,并且为生物相关分子的新型光学光谱学铺平道路。”

参考文章:“天然多肽的物质波干涉”出版刊物:《自然通讯》DOI:10.1038/s41467-020-15280-2量子认知 | 简介科技新知识,敬请热心来关注。

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