지난 수십 년 동안 과학자들은 단백질 폴딩에서 유전 공학에 이르기까지 점점 더 작은 규모로 생물학적 시스템을 이해하고 조작하는 데 놀라운 발전을 이루었다. 그러나 양자 효과가 살아있는 시스템에 영향을 미치는 정도는 거의 이해되지 않고 있다.

양자효과는 고전물리학으로 설명할 수 없는 원자와 분자 사이에서 일어나는 현상이다. 뉴턴의 운동 법칙과 같은 고전 역학의 규칙이 원자 규모에서 무너진다는 것은 100년 이상 알려져 왔다. 대신 작은 물체는 양자 역학으로 알려진 다른 법칙에 따라 행동한다.

육안으로 볼 수 있는 거시적 세계만 인식할 수 있는 인간에게 양자역학은 반 직관적이고 다소 마법처럼 보일 수 있다. 전자가 작은 에너지 장벽을 뚫고 "터널링"하여 손상되지 않고 반대편에 나타나거나 중첩이라는 현상에서 동시에 서로 다른 두 위치에 있는 것과 같이 양자 세계에서는 예상하지 못한 일이 발생할 수 있다.

나는 양자 엔지니어로 교육을 받았다. 양자 역학 연구는 일반적으로 기술에 맞춰져 있다. 그러나 놀랍게도 수십억 년의 경험을 가진 엔지니어인 자연이 최적의 기능을 위해 양자역학을 사용하는 방법을 배웠다는 증거가 증가하고 있다. 이것이 사실이라면 그것은 생물학에 대한 우리의 이해가 근본적으로 불완전하다는 것을 의미한다. 또한 생물학적 물질의 양자 특성을 사용하여 생리적 과정을 제어할 수 있음을 의미한다.

생물학의 양자성은 아마도 실제일 것이다.

연구원은 양자 현상을 조작하여 더 나은 기술을 구축할 수 있다. 사실, 당신은 이미 양자 기반 세계에 살고 있다. 레이저 포인터에서 GPS, 자기 공명 영상 및 컴퓨터의 트랜지스터에 이르기까지 이러한 모든 기술은 양자 효과에 의존한다.

일반적으로 양자 효과는 매우 작은 길이와 질량 규모 또는 온도가 절대 영도에 근접할 때만 나타난다. 이는 원자 및 분자와 같은 양자 객체가 서로 및 환경과 제어할 수 없이 상호 작용할 때 "양자성"을 잃기 때문이다. 즉, 양자 물체의 거시적 집합은 고전 역학의 법칙으로 더 잘 설명된다. 양자를 시작하는 모든 것은 고전적으로 죽는다. 예를 들어, 전자는 동시에 두 위치에 있도록 조작할 수 있지만 잠시 후에는 한 위치에만 있게 된다.

따라서 복잡하고 시끄러운 생물학적 시스템에서는 대부분의 양자 효과가 빠르게 사라지고 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 "따뜻하고 습한 세포 환경"이라고 부른 환경에서 씻겨 나갈 것으로 예상된다. 대부분의 물리학자들에게 살아있는 세계가 높은 온도와 복잡한 환경에서 작동한다는 사실은 생물학이 고전 물리학으로 적절하고 완전하게 설명될 수 있음을 의미한다.

그러나 화학자들은 오랫동안 달라지기를 간청했다. 실온에서의 기본 화학 반응에 대한 연구는 단백질 및 유전 물질과 같은 생체 분자 내에서 발생하는 과정이 양자 효과의 결과임을 분명하게 보여준다. 중요한 것은 이러한 나노 수준의 단명 양자 효과는 생물학자들이 살아있는 세포와 유기체에서 측정한 일부 거시적인 생리학적 과정을 주도하는 것과 일치한다는 것이다. 연구에 따르면 양자 효과는 효소 활성 조절, 자기장 감지, 세포 대사 및 생체 분자의 전자 수송을 포함한 생물학적 기능에 영향을 미친다.

양자 생물학을 공부하는 방법

미묘한 양자 효과가 생물학적 과정을 조정할 수 있다는 감질나는 가능성은 과학자들에게 흥미진진한 미개척지이자 도전 과제를 제시한다. 생물학에서 양자 역학 효과를 연구하려면 짧은 시간 척도, 작은 길이 척도 및 생리학적 변화를 일으키는 양자 상태의 미묘한 차이를 측정할 수 있는 도구가 필요하며, 모두 기존의 습식 실험실 환경에 통합되어 있다.

내 작업에서 나는 전자와 같은 작은 것의 양자 특성을 연구하고 제어하기 위한 도구를 만든다. 전자가 질량과 전하를 갖는 것과 같은 방식으로 전자도 스핀이라는 양자 속성을 가진다. 스핀은 전하가 전자가 전기장과 상호 작용하는 방식을 정의하는 것과 같은 방식으로 전자가 자기장과 상호 작용하는 방식을 정의한다. 대학원 시절부터 그리고 지금은 내 연구실에서 구축해 온 양자 실험은 맞춤형 자기장을 적용하여 특정 전자의 스핀을 변경하는 것을 목표로 한다.

연구는 많은 생리적 과정이 약한 자기장의 영향을 받는다는 것을 입증했다. 이러한 과정에는 줄기 세포 발달 및 성숙, 세포 증식률, 유전 물질 복구 및 기타 수많은 과정이 포함된다. 자기장에 대한 이러한 생리적 반응은 분자 내 특정 전자의 스핀에 의존하는 화학 반응과 일치한다. 약한 자기장을 적용하여 전자 스핀을 변경하면 중요한 생리적 결과와 함께 화학 반응의 최종 생성물을 효과적으로 제어할 수 있다.

현재 이러한 프로세스가 나노스케일 수준에서 어떻게 작동하는지에 대한 이해 부족으로 인해 연구자들은 자기장의 강도와 빈도가 세포에서 특정 화학 반응을 일으키는 원인을 정확히 결정할 수 없다. 현재의 휴대폰, 웨어러블 및 소형화 기술은 좋든 나쁘든 생리를 변화시키는 맞춤형 약한 자기장을 생성하기에 이미 충분하다. 따라서 퍼즐의 빠진 조각은 양자 원인을 생리학적 결과에 매핑하는 방법에 대한 "결정론적 코드북"이다.

미래에 자연의 양자 속성을 미세 조정하면 연구원들이 비 침습적이고 원격으로 제어되며 휴대폰으로 액세스할 수 있는 치료 장치를 개발할 수 있다. 전자기 치료는 잠재적으로 뇌종양과 같은 질병을 예방하고 치료하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 실험실에서 재배한 고기 생산을 늘리는 것과 같은 생물제조에도 사용될 수 있다.

과학을 수행하는 완전히 새로운 방식

양자 생물학은 지금까지 등장한 가장 학제 간 분야 중 하나이다. 어떻게 커뮤니티를 구축하고 과학자들이 이 분야에서 일하도록 교육할까?

팬데믹 이후, 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스의 내 연구실과 서리 대학교의 양자 생물학 박사 교육 센터는 대규모 양자 생물학 회의를 조직했으며 이것은 연구자들이 주류 양자 물리학, 생물 물리학, 의학, 화학 및 생물학과 같은 분야에서 만나 전문 지식을 공유할 수 있는 비공식 주간 포럼을 제공한다.

생물학, 의학 및 물리 과학에 잠재적으로 변혁적인 영향을 미치는 연구는 똑같이 변혁적인 협업 모델 내에서 작업해야 한다. 하나의 통합된 실험실에서 작업하면 연구에 대해 매우 다른 접근 방식을 취하는 분야의 과학자들이 양자에서 분자, 세포 및 유기체에 이르기까지 양자 생물학의 폭을 충족하는 실험을 수행할 수 있다.

학문으로서의 양자 생물학의 존재는 생명 과정에 대한 전통적인 이해가 불완전하다는 것을 의미한다. 추가 연구는 생명이 무엇인지, 어떻게 제어할 수 있는지, 더 나은 양자 기술을 구축하기 위해 자연과 함께 배우는 방법에 대한 오래된 질문에 대한 새로운 통찰력으로 이어질 것이다.

이미지 출처: ANIRUDH / Unsplash