La biologie quantique est l'étude des applications de la mécanique quantique et de la chimie théorique aux objets et problèmes biologiques. De nombreux processus biologiques impliquent la conversion de l'énergie en des formes utilisables pour des transformations chimiques et sont de nature quantique. Ces processus impliquent des réactions chimiques, l'absorption de la lumière, la formation d'états électroniques excités, le transfert d'énergie d'excitation et le transfert d'électrons et de protons (ions hydrogène) dans des processus chimiques tels que la photosynthèse, l'olfaction et la respiration cellulaire.
La biologie quantique peut utiliser des calculs pour modéliser les interactions biologiques à la lumière des effets de la mécanique quantique. La biologie quantique s'intéresse à l'influence des phénomènes quantiques non triviaux, qui peuvent s'expliquer en réduisant le processus biologique à la physique fondamentale, bien que ces effets soient difficiles à étudier et puissent être spéculatifs.
Histoire La biologie quantique est un domaine émergent ; la plupart des recherches actuelles sont théoriques et sujettes à des questions qui nécessitent des expérimentations supplémentaires pour pouvoir y répondre en se basant sur des preuves expérimentales. Bien que ce domaine n'ait reçu que récemment un afflux d'attention, il a été conceptualisé par les physiciens tout au long du . La biologie quantique a été considérée comme pouvant jouer un rôle essentiel dans l'avenir du monde médical. Les pionniers de la physique quantique ont vu des applications de la mécanique quantique dans les problèmes biologiques. Le livre d'Erwin Schrödinger, What is Life ?, publié en 1944, traite des applications de la mécanique quantique en biologie. Schrödinger a introduit l'idée d'un "cristal apériodique" qui contient des informations génétiques dans sa configuration de liaisons chimiques covalentes. Il a en outre suggéré que les mutations sont introduites par des "sauts quantiques". D'autres pionniers comme Niels Bohr, Pascual Jordan et Max Delbrück ont soutenu que l'idée quantique de complémentarité était fondamentale en sciences de la vie. En 1963, Per-Olov Löwdin a publié l'effet tunnel des protons décrit comme étant un autre mécanisme de mutation de l'ADN. Dans son article, il a déclaré qu'il existe un nouveau domaine d'étude appelé "biologie quantique".
Applications + Effets quantiques pressentis pour certains phénomènes biologiques Phénomène biologique Effet quantique , bioluminescence, odorat photorécepteurs, synthèse de la vitamine D États électroniques excités Activités enzymatiques, notamment impliquées dans la respiration cellulaire et la photosynthèse Effet tunnel de l'électron Magnétoréception Spin de l'électron, paires de radicaux intriquées Utilisation des photons dans la photosynthèse Transfert d'énergie de l'électron impliquant la cohérence quantique
Photosynthèse thumb|Diagramme du complexe FMO. La lumière excite les électrons dans une « antenne ». L'excitation est ensuite transférée à travers diverses protéines du complexe FMO vers le « centre de réaction » pour poursuivre la photosynthèse. Les organismes qui subissent la photosynthèse absorbent l'énergie lumineuse par le processus d'excitation des électrons dans des structures appelées « antennes ». Ces antennes varient selon les organismes. Par exemple, les bactéries (cyanobactéries) utilisent des antennes en forme d'anneau, tandis que chez les plantes ce sont les pigments de chlorophylle qui absorbent les photons. La photosynthèse crée des excitons, qui fournissent une séparation de charge que les cellules convertissent en énergie chimique utilisable. L'énergie collectée dans les sites de réaction doit être transférée rapidement avant d'être perdue par fluorescence ou par mouvement vibratoire thermique.
Diverses structures, telles que le complexe FMO des bactéries vertes sulfureuses, sont responsables du transfert de l'énergie des antennes vers un site de réaction. Les études en spectroscopie électronique FT sur l'absorption et le transfert d'électrons montrent une efficacité supérieure à 99 %, qui ne peut être expliquée par les modèles mécaniques classiques comme le modèle de diffusion. On les a donc remis en question et dès 1938, les scientifiques ont théorisé que la cohérence quantique était le mécanisme du transfert d'énergie d'excitation.
Les scientifiques ont récemment cherché des preuves expérimentales de ce mécanisme proposé de transfert d'énergie. Une étude publiée en 2007 a revendiqué l'identification de la cohérence quantique électronique à -196 °C (77 K). Une autre étude théorique datant de 2010 a fourni la preuve que la cohérence quantique vit jusqu'à 300 femtosecondes (300-15 s) à des températures biologiquement pertinentes (4 °C ou 277 K) . La même année, des expériences menées sur des algues cryptophytes photosynthétiques en spectroscopie d'écho de photons en deux dimensions ont confirmé la cohérence quantique à long terme. Ces études suggèrent qu'au cours de l'évolution, la nature a développé un moyen de protéger la cohérence quantique pour améliorer l'efficacité de la photosynthèse. Cependant, des études de suivi critiques remettent en question l'interprétation de ces résultats. La spectroscopie à molécule unique montre aujourd'hui les caractéristiques quantiques de la photosynthèse sans l'interférence d'un désordre statique, et certaines études utilisent cette méthode pour attribuer les signatures rapportées de la cohérence quantique électronique à la dynamique nucléaire se produisant dans les chromophores. Un certain nombre de propositions ont émergé pour tenter d'expliquer cette cohérence inattendue sur le long terme inattendue. Selon une proposition, si chaque site du complexe "ressent" son propre bruit environnemental, l'électron ne restera pas dans un minimum local en raison à la fois de la cohérence quantique et de l'environnement thermique, mais se dirigera vers le site de réaction par des "marches quantiques". Une autre proposition est que le taux de cohérence quantique et l'effet tunnel des électrons créent un puits d'énergie qui déplace rapidement l'électron vers le site de réaction. D'autres travaux ont suggéré que les symétries géométriques dans le complexe pourraient favoriser un transfert d'énergie efficace vers le centre de réaction, reflétant un transfert d'état parfait dans les réseaux quantiques. En outre, les expériences avec des molécules de colorants artificiels jettent des doutes sur l'interprétation selon laquelle les effets quantiques ne durent pas plus de cent femtosecondes.
En 2017, la première expérience de contrôle avec la protéine FMO originale en conditions ambiantes a confirmé que les effets quantiques électroniques sont éliminés en 60 femtosecondes, alors que le transfert global d'exciton prend un temps de l'ordre de quelques picosecondes (10-12 s). En 2020, une revue de la littérature fondée sur une vaste gamme d'expériences de contrôle et de théories a conclu que les effets quantiques proposés ne tenaient pas, en raison de la longue durée de vie des cohérences électroniques dans le système FMO. Les recherches sur la dynamique du transport suggèrent plutôt que les interactions entre les modes d'excitation électronique et vibratoire dans les complexes FMO nécessitent une explication semi-classique, semi-quantique du transfert de l'énergie d'excitation. En d'autres termes, alors que la cohérence quantique domine à court terme, une description classique est plus précise pour décrire le comportement à long terme des excitons.
Un autre processus de la photosynthèse qui a une efficacité de presque 100% est le transfert de charge, ce qui suggère à nouveau que des phénomènes de mécanique quantique sont en jeu. En 1966, une étude sur la bactérie photosynthétique Chromatium a montré qu'à des températures inférieures à 100 K, l'oxydation du cytochrome est indépendante de la température, lente (de l'ordre de la milliseconde) et très faible en énergie d'activation. Les auteurs, Don DeVault et Britton Chase, ont postulé que ces caractéristiques du transfert d'électrons sont indicatives d'un effet tunnel quantique, selon lequel les électrons pénètrent une barrière potentielle bien qu'ils possèdent moins d'énergie que ce qui est classiquement nécessaire.
Mutations de l'ADN L'acide désoxyribonucléique, l'ADN, sert d'instruction pour la fabrication de protéines dans tout l'organisme. Il est constitué de 4 nucléotides : guanine, thymine, cytosine et adénine. Le nombre et l'ordre dans lequel sont agencés ces nucléotides donne les "recettes" pour fabriquer les différentes protéines.
Chaque fois qu'une cellule se reproduit, elle doit copier ces brins d'ADN. Cependant, il arrive parfois qu'une mutation (une erreur dans la séquence dans les nucléotides) se produise tout au long du processus de copie du brin d'ADN. Le modèle de mutation de l'ADN de Lowdin explique une théorie du raisonnement qui sous-tend la mutation de l'ADN. Dans ce modèle, un nucléotide peut changer de forme par un processus d'effet tunnel quantique. De ce fait, le nucléotide modifié perdra sa capacité à s'apparier avec sa paire de bases d'origine et modifiera par conséquent la structure et l'ordre du brin d'ADN.
L'exposition aux rayons ultraviolets et à d'autres types de rayonnement peut provoquer une mutation et des dommages de l'ADN. Les radiations peuvent également modifier les liaisons des pyrimidines le long du brin d'ADN et les faire se lier à elles-mêmes pour créer un dimère.
Chez de nombreux procaryotes et plantes, ces liaisons sont réparées et les molécules retrouvent leur forme originale grâce à une enzyme de réparation de l'ADN, la photolyase. Comme son préfixe l'indique, la photolyase dépend de la lumière pour réparer le brin. La photolyase travaille avec son cofacteur FADH, le dinucléotide adénine flavinique, tout en réparant l'ADN. La photolyase est excitée par la lumière visible et transfère un électron au cofacteur FADH. Le FADH, maintenant en possession d'un électron supplémentaire, donne cet électron au dimère pour briser la liaison et réparer l'ADN. Ce transfert de l'électron se fait par effet tunnel entre l'électron du FADH et le dimère. Bien que la portée de l'effet tunnel soit beaucoup plus grande que ce qui est possible dans le vide, on dit que l'effet tunnel dans ce scénario est un "effet tunnel à super échange", et qu'il est possible grâce à la capacité de la protéine à augmenter le taux d'effet tunnel de l'électron.
Aspects quantiques de l'ADN Du début des années 1960 à nos jours (2020), une biologie quantique s'est construite, en montrant peu à peu que l'ADN et divers organismes vivants ont au cours de l'évolution ont « appris » à exploiter certaines propriétés de la physique quantique.
Historiquement, Schrödinger a influencé à la fois James Watson et Francis Crick qui ont découvert la double hélice d'ADN; il les a encouragé à étudier la nature des gènes. Schrödinger a selon Watson élégamment expliqué qu'il fallait comprendre comment les gènes agissent pour comprendre la vie Watson, James (2012) The double helix. Hachette UK. ; voir p. 13.
Ensuite le succès de la biologie moléculaire (clonage de gènes, génie génétique, OGM, empreinte du génome, séquençage) a éclipsé et fait oublier les phénomènes quantiques potentiellement en jeu.
Les généticiens et le monde des biotechnologies ont à cette époque d'abord évité d'intégrer les aspects quantique de la physique et de la chimie dans leurs modèles du monde (aspects qui ne leur étaient pas nécessaires, et mathématiquement et intellectuellement, contre-intuitifs et donc plus difficile d'accès). Les biochimistes s'étonnaient simplement de l'extrême rapidité et efficacité de certains phénomènes (enzymatiques, photosynthétiques), sans pouvoir l'expliquer.