Under sin doktorandtid vid UMass var Nikhil Malvankar helt fokuserad på kvantmekanik och elektronernas rörelse i supraledare. Nu är han professor vid Yale och har, som infödd i Mumbai, Indien, övergått till biologi för att förklara hur bakterier andas djupt under jord utan hjälp av syre.
Liksom andra forskare har Malvankars karriär utvecklats till att blanda tidigare separata sätt att tänka, och förena biologiska och fysikaliska teorier för att förklara världen omkring oss.
Hittills har hans laboratorium vid Yale Microbial Sciences Institute upptäckt det evolutionära knep som bakterier använder för att andas genom små proteinfilament, så kallade nanotrådar, för att göra sig av med överskottselektroner från omvandlingen av organiskt avfall till elektricitet.
Denna anpassning har gjort det möjligt för bakterier att skicka elektroner över avstånd som är 100 gånger större än deras egen storlek genom vad forskarna kallar bakteriell ”snorkling”.
Från sin bas på Yales västra campus avslöjade laboratoriets tidigare arbete nanotrådens roll och atomstruktur, men för att förklara hur elektronerna rörde sig så snabbt fann Malvankar sig själv återvända till där han började – kvantteorins värld.
”Biologisk teori kunde helt enkelt inte förklara deras hastighet”, förklarade docenten i molekylär biofysik och biokemi. ”Antingen var våra mätningar felaktiga, eller så behövde vi en ny teori. ”
I ett nyligen genomfört samarbete med William Parson vid University of Washington fann teamet att proteinfluctuationshastigheten var en miljon gånger långsammare än elektronernas, vilket identifierade att elektronerna ’surfade’ på en våg snarare än ”hoppade” som partiklar. Författat av William Parson, University of Washington, före detta Yale-doktoranden Peter Dahl och Malvankar, publicerades resultaten som en omslagsartikel i The Journal of Physical Chemistry Letters.
”Vi trodde tidigare att elektroner följde klassiska newtonska lagar – precis som en tennisboll som fortsätter att studsa och alltid kommer tillbaka. Istället såg vi elektroner bete sig som en energivåg med förmågan att snabbt färdas genom material på ett sammanhängande sätt, även vid rumstemperatur.
Resultaten anses vara bland de första som observerar kvantmekanik i andningen, med betydande implikationer för området kvantavkänning och kvantberäkning.
”Med undantag för processer som fotosyntes, där solljuset rör sig mycket snabbt men över mycket korta avstånd, är den allmänna uppfattningen att den biologiska världen är en mycket bullrig och fientlig miljö som effektivt förstör alla kvanteffekter”, säger Malvankar.
”I allmänhet tänker vi inte på kvantmekanik inom biologin, så detta är en stor överraskning.”
”Det finns ett stort intresse för kvantdatorer eftersom de kan lagra och bearbeta enorma mängder data. Men detta kräver att elektroner kommunicerar med varandra, och för närvarande kan detta bara ske vid temperaturer ned till minus 500 grader Fahrenheit, vilket är dyrt.”
”Men naturen har ofta mycket enkla lösningar på komplexa problem.
”I dessa bakterier mäter vi kvanteffekter vid rumstemperatur. Om vi kan lära oss av naturen själv och kombinera våra kunskaper om kvantmekanik och biologi, kan vi börja tillämpa samma principer för att ta nästa steg för kvantdatorer.”
Mer information: William W. Parson et al, Coherent Electron Transfer in Cytochrome Nanowires at 300 K, The Journal of Physical Chemistry Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.jpclett.5c01339
