Um dos princípios centrais da mecânica quântica é a dualidade onda-partícula. Isso nos diz que mesmo objetos massivos se comportam tanto como partículas quanto como ondas. Uma série de experimentos anteriores mostraram isso para elétrons, nêutrons, átomos e até moléculas grandes. A teoria quântica afirma que esta é uma propriedade universal da matéria. Contudo, foi notoriamente difícil estender essa pesquisa a sistemas biomoleculares complexos. Novos experimentos na Universidade de Viena, apoiado por modelagem química quântica na Universidade de Stanford, agora demonstrar pela primeira vez a natureza da onda quântica de um polipeptídeo antibiótico complexo, aqui gramicidina. Os resultados foram publicados em Nature Communications .

Interferência quântica com os blocos de construção da vida

A dualidade partícula-onda é um fenômeno onipresente na física quântica e, embora seja conhecida há quase um século, ainda causa perplexidade quando o vemos realizado em matéria complexa:como um objeto pode ser deslocalizado de maneira ondulatória? Se a física quântica é uma teoria universal:quão complexo pode ser um objeto para ainda observar esse comportamento contra-intuitivo? Ainda se aplica a pedaços maiores de matéria, ou mesmo para os blocos de construção da vida, tais como, por exemplo, peptídeos e proteínas?

O grupo de pesquisa em torno de Markus Arndt na Universidade de Viena está desenvolvendo ferramentas sofisticadas para lançar, difratar, interferir e detectar moléculas complexas. Contudo, os testes de física quântica com longas cadeias de aminoácidos permaneceram proibitivos até agora. Eles tiveram que superar os desafios relacionados à geração de feixes suficientemente intensos desses biopolímeros, para isolá-los em alto vácuo de qualquer ambiente perturbador, e estabelecer ferramentas coerentes para sondar sua natureza quântica.

No novo trabalho publicado em Nature Communications , Armin Shayeghi e colegas demonstram pela primeira vez a interferência quântica do polipeptídeo natural gramicidina, um antibiótico feito de 15 aminoácidos ligados covalentemente. A chave para este sucesso foi o uso de luz laser ultrarrápida e intensa para dessorver os peptídeos antes que eles pudessem se decompor e a interferometria de onda de matéria explorando elementos de difração com base na medição quântica. Essas técnicas abrirão o caminho para nanomateriais biológicos ainda mais complexos, desde proteínas até DNA. Esta pesquisa é impulsionada pelo interesse fundamental em explorar os limites da física quântica e no estabelecimento de novas tecnologias aprimoradas pelo quantum como ferramentas analíticas minimamente invasivas para biomoléculas individuais isoladas na fase gasosa.

Abordagem experimental

Pulsos de laser ultravioleta curtos de femtossegundos derrubam as moléculas frágeis de uma superfície. As partículas são varridas por um jato de átomos de argônio frios. Viajando a velocidades de até 600 m / s, as moléculas de gramicidina têm um pequeno comprimento de onda de apenas 350 femtômetros, cerca de dez milésimos do diâmetro das próprias biomoléculas. Shayeghi et al. usaram uma técnica muito sensível conhecida como interferometria de Talbot-Lau no domínio do tempo para medir seu padrão de franja quântica e descobrir que a coerência molecular é deslocalizada em mais de 20 vezes o tamanho das moléculas, que só pode ser explicado pela mecânica quântica. Esta conclusão é corroborada por cálculos químicos quânticos de alto nível adicionais, em colaboração com Todd J. Martinez da Stanford University, predição de estrutura eletrônica e propriedades que entram em simulações de espaço de fase para modelar o processo de interferência.

"Nossa nova técnica permitirá estudos detalhados das propriedades quânticas das biomoléculas e abre caminho para um novo tipo de espectroscopia óptica de moléculas biologicamente relevantes, "diz Shayeghi.