예루살렘, 2025년 5월 6일 (TPS-IL) — 과학자들이 살아있는 세포 내 숨겨진 양자 연결을 발견했으며, 이는 생물학적 에너지 전달을 모방하는 더 똑똑한 나노 물질에 영감을 주어 의학, 에너지 및 나노 기술 분야에서 새로운 길을 열 수 있다고 월요일 이스라엘 연구원들이 발표했습니다.
히브리 대학교 예루살렘 캠퍼스의 과학자들이 와이즈만 과학 연구소 및 벤 구리온 대학교와 협력하여 주도한 이 연구는 세포가 에너지를 이동시키는 방식인 양성자 전달이 전자 스핀, 즉 양자 속성에 의해 직접적으로 영향을 받는다는 것을 처음으로 보여줍니다.
지금까지 과학자들은 에너지 생산에 필수적인 작은 입자인 양성자가 주로 물 분자와 아미노산 사이의 단순한 화학적 도약을 통해 이동한다고 믿었습니다. 그러나 새로운 발견은 양성자 이동이 전자 스핀에 의해서도 제어된다는 것을 밝혀냈으며, 이는 양자 물리학이 기본적인 생명 과정에서 능동적인 역할을 한다는 것을 의미합니다.
주요 연구원 중 한 명인 나아마 고렌은 “우리 연구 결과는 생물학적 시스템에서 양성자가 이동하는 방식이 단순히 화학적인 것만이 아니라 양자 물리학과도 관련이 있다는 것을 보여줍니다. 이는 살아있는 것들 내부에서 정보와 에너지가 어떻게 전달되는지에 대한 이해에 새로운 문을 열어줍니다.”라고 말했습니다.
이 연구는 히브리 대학교 응용 물리학 및 나노 센터의 고렌 교수와 요시 팔티엘 교수, 그리고 생명 과학 연구소의 니르 케렌 교수와 오데드 리브나 교수가 주도했습니다. 그들은 와이즈만 연구소의 론 나아만 교수와 벤 구리온 대학교의 누릿 아슈케나지 교수와 긴밀히 협력했습니다. 이 팀의 발견은 최근 동료 검토를 거친 PNAS 저널에 게재되었습니다.
리소자임과 같은 생물학적 결정(많은 유기체에서 발견되는 효소)을 이용한 실험에서 연구원들은 전자 스핀과 양성자 이동이 독립적이지 않다는 것을 보여주었습니다. 특정 스핀을 가진 전자를 결정에 주입했을 때 양성자가 더 쉽게 이동했습니다. 반대 스핀을 가진 전자를 주입했을 때 양성자 이동이 상당히 방해되었습니다. 전자 스핀과 양성자 수송 사이의 이러한 결합은 생물학적 시스템에서 이전에 관찰된 적이 없었습니다.
이 발견은 키랄 유도 스핀 선택성(CISS) 효과와 관련이 있습니다. 이는 키랄 분자, 즉 특정 “손잡이”를 가진 분자가 전자 스핀에 따라 다르게 상호 작용하는 현상입니다. 연구팀은 키랄 포논이라고 불리는 결정의 진동이 전자 스핀과 양성자 이동성을 연결하는 데 도움이 되어 양자 효과를 생물학적 에너지 흐름에 직접적으로 연결한다는 것을 발견했습니다.
팔티엘 교수는 “전자 스핀과 양성자 이동 사이의 이러한 연결은 생물학적 과정을 모방하는 새로운 기술, 심지어 세포 내부의 정보 전달을 제어하는 새로운 방법을 개발할 수 있습니다.”라고 말했습니다.
과학자들은 양자 역학이 전자뿐만 아니라 생명 과정에서 양성자에도 영향을 미친다는 것을 보여줌으로써 물리학과 생물학 사이의 주요 격차를 해소했습니다. 이는 살아있는 유기체 내부의 에너지 및 정보 전달이 이전에 믿었던 것보다 더 선택적이고, 더 조정 가능하며, 더 정밀하게 제어된다는 것을 시사합니다.
이러한 발견은 세포 내부의 에너지 흐름을 제어하는 새로운 의료 기술, 더 효율적인 생물학적 영감 에너지 장치, 그리고 양자 정보 처리를 위한 고급 스핀트로닉 시스템 개발로 이어질 수 있습니다.
전자 스핀과 양성자 이동에 대한 더 나은 이해와 제어는 세포 내부의 에너지 흐름을 더 정확하게 표적으로 하는 약물 개발과 질병 세포에서 비정상적인 에너지 전달 패턴을 감지할 수 있는 진단 도구 개발로 이어질 수 있습니다.
더욱이, 자연이 양자 효과로 양성자 이동을 제어하는 방식을 배우는 것은 새로운 유형의 배터리 또는 연료 전지에 영감을 줄 수 있으며, 세포가 에너지 전달을 처리하는 방식을 모방하여 스스로 조직화하거나 복구하는 더 똑똑한 나노 물질을 개발하는 데 영감을 줄 수 있습니다.
