توسط پسخ بنسون و عمر نوووسلسکی • ۲۳ آوریل ۲۰۲۶
اورشلیم، ۲۳ آوریل ۲۰۲۶ (TPS-IL) — راز اینکه چرا حیات یک «دست» مولکولی را به تصویر آینهای خود ترجیح میدهد، ممکن است با توضیحی ریشهدار در فیزیک کوانتومی، یافتهای که در نهایت میتواند بر همهچیز از داروسازی گرفته تا الکترونیک نسل بعدی تأثیر بگذارد، نزدیکتر شده باشد.
یک مطالعه جدید اسرائیلی نشان میدهد که یک ویژگی کوانتومی بسیار کوچک الکترونها، معروف به «اسپین»، ممکن است به توضیح اینکه چرا زیستشناسی به طور مداوم فقط از یک نسخه از بسیاری از مولکولها به جای همتایان آینهای خود استفاده میکند، کمک کند.
بسیاری از مولکولهای زیستی در دو شکل آینهای به نام انانتیومر وجود دارند. در شیمی استاندارد، هر دو شکل باید رفتار یکسانی داشته باشند و به مقادیر مساوی ظاهر شوند. اما در سیستمهای زنده، اینطور نیست. حیات تقریباً همیشه فقط از یک نسخه استفاده میکند: اسیدهای آمینه معمولاً چپگرد و قندها راستگرد هستند. این الگو که به نام هموکیرالیتی شناخته میشود، بیش از یک قرن دانشمندان را متحیر کرده است.
تیمی از محققان اسرائیلی به رهبری پروفسور یوسی پالتیل از دانشگاه عبری اورشلیم دریافتند که پاسخ ممکن است در نحوه عبور الکترونها از این مولکولها نهفته باشد. الکترونها خاصیتی به نام اسپین دارند که بر نحوه تعامل آنها با ماده تأثیر میگذارد. این مطالعه دریافت که وقتی الکترونها از مولکولهای کیرال عبور میکنند، اسپین آنها بسته به اینکه با کدام شکل آینهای روبرو میشوند، رفتار متفاوتی دارد.
این یافتهها در مجله علمی Science Advances که مورد بررسی همتایان قرار گرفته است، منتشر شده است.
پالتیل به سرویس مطبوعاتی اسرائیل گفت: «حیات هموکیرال است. این موضوع بدیهی نیست، زیرا در شیمی استاندارد، هر دو مولکول آینهای شانس برابری دارند. مطالعه ما میپرسد چرا طبیعت کیرال است و چگونه تقارن شکسته میشود. مقاله فعلی پیشنهاد میکند که تعاملات اسپین الکترون ممکن است هر دو اثر را توضیح دهد.»
تفاوتهای کوچک اسپین مهم هستند
اگرچه دو نسخه از یک مولکول در شرایط ایستا انرژی یکسانی دارند، اما در فرآیندهای پویا مانند انتقال الکترون و واکنشهای شیمیایی رفتار یکسانی ندارند. این یافتهها نشان میدهد که این تفاوتها میتوانند بر کارایی هر شکل در واکنشهای شامل الکترونها تأثیر بگذارند. در طول زمان طولانی، حتی تفاوتهای بسیار کوچک در کارایی نیز میتواند مهم باشد. محققان پیشنهاد میکنند که اگر یک فرم مولکولی به طور مداوم تحت این شرایط عملکرد کمی بهتری داشته باشد، میتواند به تدریج غالب شود. این میتواند به توضیح اینکه چگونه زیستشناسی در نهایت یک «دست» از مولکولها را در سراسر حیات شناخته شده ترجیح داده است، کمک کند.
این یافتهها ترکیبی از کار نظری، نتایج تجربی و محاسبات رفتار الکترون در سیستمهای کیرال هستند. آنها به نقشی که قبلاً کمتر مورد توجه قرار گرفته بود برای اثرات کوانتومی در فرآیندهای اساسی زیستشناسی اشاره دارند.
پالتیل به TPS-IL گفت که این تحقیق «کاربرد در بازار دارو، انرژی سبز و بهبود رساناها برای صنعت تراشه دارد.»
در داروسازی، این کشف میتواند به بهبود نحوه طراحی و تولید داروها کمک کند. بسیاری از داروها در دو شکل آینهای وجود دارند، اما معمولاً فقط یکی در بدن انسان مؤثر است. اگر اسپین الکترون بتواند بر اینکه کدام فرم مولکولی غالب میشود تأثیر بگذارد، ممکن است تولید نسخه صحیح با کارایی و دقت بیشتر امکانپذیر شود.
در الکترونیک و فناوری نیمههادی، این یافتهها ممکن است به حل یکی از چالشهای رو به رشد این صنعت کمک کند: مدیریت حرارت در تراشههایی که به طور فزایندهای کوچک و قدرتمند میشوند. این مطالعه نشان میدهد که مواد طراحی شده با خواص «کیرال» که تحت تأثیر اسپین الکترون قرار دارند، میتوانند نحوه کنترل گرما و سیگنالهای الکتریکی را بهبود بخشند. پالتیل به TPS-IL گفت که این ایده در حال حاضر به صورت تجاری در حال بررسی است و گفت که یک استارتاپ مرتبط با این تحقیق در حال کار بر روی «پوششهای کیرال و فلزات کیرال است که مدیریت حرارت را در صنعت نیمههادی برطرف میکنند.»
در حوزه انرژی و علم مواد، این مکانیسم میتواند منجر به راههای جدیدی برای طراحی مواد کارآمدتر برای واکنشهای شیمیایی و انتقال انرژی شود. از آنجایی که این اثر به نحوه عبور الکترونها از ماده مرتبط است، ممکن است به بهبود کاتالیزورها و مواد رسانا که در طیف وسیعی از فناوریها از جمله سیستمهای انرژی سبز استفاده میشوند، کمک کند. به طور گستردهتر، این نشاندهنده تغییری در رویکرد است، که در آن دانشمندان میتوانند مواد را نه تنها بر اساس ساختار شیمیایی، بلکه بر اساس نحوه تعامل اسپین الکترون با شکل مولکولی طراحی کنند.