Une étude remarquable sur la migration de l’énergie électronique dans les microtubules a révélé des capacités inattendues de récolte de lumière dans ces structures cellulaires [1]. Publiée dans la revue ACS Central Science, l’étude intitulée « Electronic Energy Migration in Microtubules », réalisée par une coalition de chercheurs issus de plusieurs institutions, dont Princeton, Stanford, Oxford, l’Arizona State University, l’Indian Institute of Technology de Delhi et d’autres, a démontré que les microtubules, polymères cylindriques de la protéine tubuline, peuvent conduire l’énergie électronique sur des distances allant jusqu’à 6,6 nm, comparables à certains complexes photosynthétiques. L’ordre cristallin des microtubules aligne les sous-unités chromophores des acides aminés qui captent la lumière, les rapprochant suffisamment pour permettre un transfert d’énergie excitonique relativement long le long des filaments du cytosquelette. Les résultats de l’étude ont montré qu’après photoexcitation, les chromophores d’acides aminés réalisaient un transfert résonant d’énergie d’excitation le long des microtubules, comparable en efficacité aux systèmes artificiels de récolte de lumière. Cela suggère que ces structures macromoléculaires naturelles sont des collecteurs de lumière efficacies, capables de diriger une diffusion cohérente des excitons sur des distances bien plus grandes que ce que les calculs de premier ordre laissaient présager. Cette découverte remet en question les hypothèses antérieures sur les propriétés quantiques des systèmes biologiques et pourrait avoir des implications majeures pour notre compréhension des processus cellulaires, des mécanismes anesthésiques impliquant les microtubules dans les processus cognitifs, de la mécanique optoélectrique macromoléculaire dans le traitement de l’information cellulaire, ainsi que pour le développement de technologies bio-inspirées.
Qu’est-ce que les Microtubules ?
Les microtubules sont des structures filamentaires dynamiques et cylindriques composées de sous-unités protéiques de tubuline, jouant un rôle essentiel dans le maintien de la forme des cellules, le transport intracellulaire, la motilité cellulaire et la ségrégation des chromosomes lors de la division cellulaire. Ces polymères sont partie intégrante du cytosquelette, fournissant un soutien structurel et servant de pistes pour les protéines motrices qui transportent les cargaisons cellulaires, jouant ainsi un rôle crucial dans l’organisation interne de la cellule. Au-delà de leurs fonctions mécaniques et de motilité, les microtubules sont impliqués dans la signalisation cellulaire via divers mécanismes [2, 3, 4, Le réseau microtubules-actine au sein du neurone régule la synchronisation précise des signaux électriques par l’intermédiaire de tourbillons électromagnétiques]. Leur rôle potentiel dans l’orchestration du traitement de l’information cellulaire, qui semble de plus en plus multiple—voire potentiellement sous-jacent aux processus cognitifs—est devenu un domaine de recherche d’intérêt croissant pour de nombreux scientifiques.
Des études récentes ont mis en évidence des propriétés quantiques intrigantes au sein des microtubules, notamment en ce qui concerne les résidus d’acides aminés aromatiques tels que le tryptophane [5]. Ces résidus sont capables de participer au transfert d’énergie électronique, un processus essentiel à diverses fonctions cellulaires. Le tryptophane, connu pour ses caractéristiques de fluorescence uniques, joue un rôle clé dans ces phénomènes quantiques. Il contribue à la formation de réseaux conducteurs d’énergie au sein de la structure des microtubules, facilitant la migration de l’énergie sur de longues distances et soutenant potentiellement la cohérence quantique. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour l’exploration de l’intersection entre la biologie quantique et la dynamique cellulaire, offrant un aperçu des processus fondamentaux qui sous-tendent la vie au niveau moléculaire.
Les acides aminés aromatiques comme le tryptophane sont des résidus (c’est-à-dire des sous-unités) de la protéine tubuline (figure 1, A), et lorsque les dimères de tubuline se polymérisent en réseaux cristallins de protofilaments hélicoïdaux (figure 1, B), les résonateurs en forme d’antennes des acides aminés aromatiques forment des réseaux coordonnés, avec certains « méga-réseaux » comprenant jusqu’à 10 000 résidus (voir notre article Long-range Collective Quantum Coherence in Tryptophan Mega-Networks of Biological Architectures).
Le rôle des molécules organiques de benzène/phényle à « résonance électronique π », comme le tryptophane et la tyrosine, dans les propriétés potentielles de cohérence quantique collective des microtubules a été prédit depuis longtemps par Stuart Hameroff, un anesthésiste de l’université de l’Arizona qui, en collaboration avec le physicien et lauréat du prix Nobel Sir Roger Penrose, a formulé l’une des premières théories de la conscience impliquant la dynamique subcellulaire et même des mécanismes de gravitation quantique [6, 7].
Hameroff et ses collègues ont postulé que le couplage à longue portée des dipôles oscillants des résidus d’acides aminés aromatiques dans les monomères de tubuline des microtubules pourrait traiter l’information de manière unique, par exemple, en permettant un traitement parallèle massif grâce à la synchronisation collective des oscillateurs dipolaires. Ils ont également proposé un mécanisme de réduction objective orchestrée (Orch-OR, figure 2).
Stuart Hameroff, MD.
Professeur émérite, Départements d’anesthésiologie et de psychologie Centre médical universitaire. Directeur du Centre d’études de la conscience, Colleges of Medicine, Science, and Social and Behavioral Sciences, The University of Arizona, Tucson, Arizona.
Proposée il y a près de trente ans, cette théorie est connue sous le nom de modèle Orch-OR. Bien qu’elle ait fait l’objet de critiques au cours de sa longue histoire, elle a résisté à l’épreuve du temps et de l’examen critique, et a récemment bénéficié d’un large soutien empirique grâce à des observations et mesures expérimentales directes des propriétés quantiques des microtubules réalisées par de nombreux laboratoires indépendants. L’une de ces observations expérimentales, mettant en lumière les propriétés quantiques non triviales des microtubules, est une étude récente menée par une équipe de recherche internationale qui a découvert une diffusion d’énergie électronique à longue portée dans les filaments subcellulaires, confirmant même la perturbation de ce transfert de résonance d’énergie électronique couplée par des molécules anesthésiques, ce qui constituait une autre prédiction de la théorie Orch-OR d’Hameroff [9].
Ce qui a Été Trouvé
L’équipe de recherche, dirigée par Aarat P. Kalra et ses collègues, a utilisé l’autofluorescence du tryptophane pour étudier le transfert d’énergie entre les résidus d’acides aminés aromatiques dans la tubuline et les microtubules. En examinant comment la concentration du quencher affecte les durées de vie de l’autofluorescence du tryptophane, ils ont pu quantifier l’étendue de la diffusion d’énergie électronique dans ces structures.
Leurs résultats ont montré que les résidus d’acides aminés aromatiques, appelés chromophores (les chromophores sont des antennes sensibles à la lumière dans les macromolécules biologiques), tels que le tryptophane et la tyrosine, présentent des forces de couplage robustes sur des distances relativement longues. Le transfert d’énergie électronique entre les résidus coordonnés se produit sur environ 6,6 nanomètres dans les microtubules. Cette longueur de diffusion de l’énergie électronique est étonnamment élevée, car on pensait traditionnellement que les microtubules ne jouaient qu’un rôle structurel et locomoteur dans la cellule. Ce n’est que récemment que leurs comportements en matière de traitement photo-électronique, tels que le transfert efficace d’énergie électronique, ont été clairement identifiés. En comparaison, la chlorophylle a, un chromophore dans le complexe d’antennes photosynthétiques, est spécifiquement optimisée pour le transfert d’énergie par résonance et absorbe les photons avec une efficacité environ 20 fois supérieure à celle du tryptophane, bien qu’elle ait une longueur de diffusion de seulement 20 à 80 nm.
Ces résultats sont inattendus et remettent en question les modèles conventionnels, tels que la théorie de Förster, qui prévoyait des distances de diffusion de l’énergie électronique de l’ordre du nanomètre pour le transfert résonant entre chromophores, typique du couplage dipôle-dipôle entre tryptophanes, une distance nettement plus petite que celle mesurée par Scholes et al.
En outre, comme la longueur de diffusion d’environ 6,6 nm correspond à la taille d’un seul dimère de tubuline, équivalente au volume d’une sphère de 7,4 nm de diamètre, cela suggère que le transfert d’énergie entre les résidus de tryptophane pourrait se produire à travers un seul dimère de tubuline au sein d’un microtubule polymérisé. Ainsi, si un événement de photoexcitation se produit dans un résidu chromophore proche d’un dimère de tubuline adjacent, l’énergie pourrait être transférée le long du réseau cristallin des microtubules (figure 3). Cela résulte en un transfert cohérent de photons/excitons, ou un transfert d’énergie électronique le long des filaments de microtubules, agissant comme de véritables filaments de transmission d’info-énergie dans les réseaux réticulaires macromoléculaires subcellulaires.
Les événements de photoexcitation peuvent se produire en continu à partir de la production d’espèces réactives de l’oxygène par les mitochondries, comme l’ont décrit Kurian et al.[10] (figure 4), dans lesquelles les mitochondries sont connues pour former des réseaux filamenteux hélicoïdaux avec des microtubules (figure 5) [11].
Il est intéressant de noter que les chercheurs ont constaté que les longueurs de diffusion étaient influencées par l’état de polymérisation de la tubuline (tubuline libre ou tubuline dans le réseau de microtubules), mais qu’elles n’étaient pas modifiées de manière significative par le nombre moyen de protofilaments (13 ou 14). Cela suggère que les propriétés de transfert d’énergie sont intrinsèques à la structure de la tubuline plutôt que dépendantes des architectures spécifiques des microtubules.
Comment l’Étude a Été Réalisée
Les chercheurs ont utilisé une approche à multiples facettes pour étudier la migration de l’énergie électronique dans les microtubules. Leur méthodologie comprend :
- Spectroscopie à l’état stable : Cette technique a été utilisée pour mesurer les spectres d’absorption et de fluorescence de la tubuline et des microtubules dans différentes conditions.
- Comptage de photons uniques corrélés dans le temps (TCSPC) : Cette méthode avancée a permis à l’équipe de mesurer les temps de vie de la fluorescence du tryptophane avec une grande précision, fournissant ainsi des données cruciales sur la dynamique du transfert d’énergie.
- Microscopie électronique à coloration négative : Cette technique d’imagerie a été utilisée pour confirmer les états de polymérisation et les structures des assemblages de tubuline étudiés (figure 6).
Outre ces méthodes expérimentales, l’équipe a également réalisé des simulations informatiques pour modéliser la migration de l’énergie dans les microtubules. Ils ont créé un modèle informatique de microtubules composé de 31 anneaux de tubuline empilés et l’ont utilisé pour calculer les forces de couplage pour le transfert d’énergie entre les résidus de tyrosine et de tryptophane.
Les chercheurs ont également étudié les effets des anesthésiques sur le transfert d’énergie dans les microtubules. Ils ont introduit l’étomidate et l’isoflurane dans leurs essais et mesuré leur impact sur l’extinction de la fluorescence du tryptophane.
Étude de l’Effet des Anesthésiques sur le Transfert d’Énergie dans les Microtubules
Les chercheurs ont étudié en détail l’influence des anesthésiques sur le transfert d’énergie au sein des microtubules, car Hameroff et ses collaborateurs ont longtemps pensé que les anesthésiques agissaient, du moins en partie, par le biais d’une action inhibitrice de la fonction des microtubules, très probablement en perturbant le couplage dipôle-dipôle et donc en interrompant le transfert d’énergie par résonance et la cohérence collective à longue portée. En introduisant des anesthésiques tels que l’étomidate et l’isoflurane dans leurs essais expérimentaux, l’équipe de recherche a pu observer des changements dans l’extinction de la fluorescence du tryptophane, une méthode utilisée pour évaluer l’impact de ces substances au niveau moléculaire.
Les chercheurs ont pu examiner empiriquement si les microtubules pourraient faciliter des processus quantiques impliqués dans les processus cognitifs et la conscience. Les anesthésiques, connus pour leur capacité à induire l’inconscience, ont été trouvés pour interférer avec le transfert d’énergie dans les microtubules, suggérant un lien possible entre la dynamique des microtubules et les états de conscience.
Ces résultats suggèrent que la perturbation des mécanismes de transfert d’énergie par les anesthésiques pourrait inhiber les processus quantiques au sein des microtubules nécessaires à la conscience.
Les médicaments anesthésiques sont efficaces dans des organismes allant des paramécies aux plantes, jusqu’aux primates (ce qui suggère que des éléments de proto-cognition sont opérationnels même dans les organismes unicellulaires et aneuropéens). Ils sont connus pour cibler le cytosquelette, les canaux ioniques et les mitochondries [12]. De plus, plusieurs études récentes ont impliqué des propriétés quantiques non chimiques, telles que le spin nucléaire et les effets des champs magnétiques, dans la puissance des anesthésiques [13], ce qui souligne encore le rôle potentiel des effets quantiques non triviaux dans les microtubules, qui sont affectés de manière vérifiable par les anesthésiques.
L’action des anesthésiques sur le transfert d’énergie d’excitation s’est avérée altérer les durées de vie de la fluorescence du tryptophane lorsqu’elle a été testée par analyse spectroscopique. Il a été démontré que l’introduction d’anesthésiques, l’étomidate et l’isoflurane, dans les essais sur les microtubules diminuait les longueurs de diffusion de la transmission de l’énergie d’excitation, affectait les interactions dipôle-dipôle, réduisait la diffusion des excitons, atténuait la migration de l’énergie électronique, interférait avec les interactions à longue portée, inhibait potentiellement le traitement de l’information basé sur les dipôles et avait donc un impact global sur l’efficacité de la migration de l’énergie électronique dans les microtubules. Ce comportement, désormais directement observé par l’expérience, confirme l’hypothèse [14] selon laquelle la commutation dipolaire à longue portée des résidus aromatiques pour le traitement de l’information est un mécanisme actif dans le réseau du cytosquelette cellulaire.
Dans l’ensemble, cette ligne de recherche ouvre de nouvelles voies pour comprendre comment les anesthésiques modulent la conscience et souligne le rôle important que les microtubules pourraient jouer dans les fonctions cognitives.
Les Enseignements Potentiels à Tirer de l’Étude
Les résultats de cette étude ont des implications majeures pour notre compréhension des effets quantiques dans les systèmes biologiques. Pendant des années, de nombreux experts ont cru que l’environnement biologique était trop « humide, bruyant et chaud » pour que des effets quantiques non triviaux, comme la cohérence quantique collective à longue portée, puissent se manifester. Cette étude fournit des preuves solides du contraire, démontrant que la vie a effectivement tiré parti de phénomènes quantiques non triviaux pour son propre bénéfice (à noter qu’il existe un sens trivial dans lequel la mécanique quantique est opérationnelle dans les systèmes biologiques, par exemple, pour déterminer les configurations orbitales des électrons et maintenir la cohésion des molécules, tandis que le sens non trivial se réfère aux effets quantiques au-delà de ceux qui sont manifestement en jeu).
Ces résultats soutiennent des théories telles que le réseau unifié de mémoire spatiale proposé par Haramein et Brown [15], ainsi que la théorie Orch-OR de Hameroff et Penrose. Ces deux théories suggèrent que des assemblages macromoléculaires subcellulaires, comme les microtubules, jouent un rôle crucial dans le traitement de l’information et, potentiellement, dans la cognition et la conscience.
L’étude a également des implications pour notre compréhension des mécanismes des anesthésiques. Le fait que la présence d’anesthésiques comme l’étomidate et l’isoflurane réduise la diffusion des excitons dans les microtubules indique directement que ces filaments cellulaires optoélectriques et la dynamique de transfert de photons/excitons qui leur est associée sont impliqués dans les processus d’information et d’énergie liés à la conscience. Cette observation est en accord avec les théories selon lesquelles les anesthésiques pourraient agir en perturbant la cohérence quantique dans les microtubules neuronaux.
En outre, le transport d’énergie par résonance vibratoire des excitons corrobore des études similaires, telles que celle de Geesink et al., dans lesquelles la cohérence et l’intrication quantiques jouent un rôle intégral dans la dynamique du traitement de l’information par ces structures subcellulaires. Dans une étude, Geesink et Schmieke ont constaté que les fréquences des microtubules sont conformes à deux équations d’ondes quantiques proposées, respectivement pour la cohérence (régulation) et la décohérence (dérégulation), qui décrivent des états quantiques intriqués et désintriqués [16]. L’équipe de recherche suggère également que les microtubules présentent un principe de structure auto-organisatrice-synergétique appelé état de Fröhlich-Bose-Einstein, dans lequel la cohérence spatiale de l’état peut être décrite par une topologie toroïdale. Ils suggèrent que leur étude révèle un code quantique informationnel en relation directe avec les fréquences propres des microtubules, des cellules souches, de l’ADN et des protéines, fournissant des informations pour réaliser l’ordre biologique dans les cellules vivantes et justifiant un comportement collectif de type Fröhlich-Bose-Einstein ; soutenant ainsi les modèles de Tuszynski, Hameroff, Bandyopadhyay, Del Giudice et Vitiello, Katona, Pettini, Pokorny et d’autres chercheurs éminents qui ont postulé des propriétés quantiques non triviales des microtubules impliquées dans la cognition et la conscience.
Cette étude démontre empiriquement la résonance collective à longue portée des oscillateurs dipolaires dans les microtubules, impliquant le cytosquelette dans le traitement de l’information en utilisant les propriétés quantiques. En révélant les capacités inattendues des microtubules à capter la lumière, la recherche remet en question les conceptions traditionnelles des structures cellulaires et met en évidence leur rôle potentiel dans la cohérence quantique et le traitement de l’information. Cette découverte ne fait pas seulement progresser notre compréhension du domaine quantique en biologie, elle ouvre également de nouvelles voies pour explorer la manière dont les nouvelles formes de matière trouvées dans la nanomachine de la vie pourraient être rétroconçues dans des technologies bio-inspirées et peut-être même révéler quelque chose de fondamental sur la nature de la sensibilité qui est une caractéristique clé de la vie et du système vivant.
Références
[1] A. P. Kalra et al., “Electronic Energy Migration in Microtubules,” ACS Cent. Sci., vol. 9, no. 3, pp. 352–361, Mar. 2023, doi: 10.1021/acscentsci.2c01114.
[2] C. D. Velasco, R. Santarella-Mellwig, M. Schorb, L. Gao, O. Thorn-Seshold, and A. Llobet, “Microtubule depolymerization contributes to spontaneous neurotransmitter release in vitro,” Commun Biol, vol. 6, no. 1, pp. 1–15, May 2023, doi: 10.1038/s42003-023-04779-1.
[3] B. C. Gutierrez, H. F. Cantiello, and M. del R. Cantero, “The electrical properties of isolated microtubules,” Sci Rep, vol. 13, no. 1, p. 10165, Jun. 2023, doi: 10.1038/s41598-023-36801-1
[4] Singh, P., et al. « Cytoskeletal Filaments Deep Inside a Neuron Are not Silent: They Regulate the Precise Timing of Nerve Spikes Using a Pair of Vortices. » Symmetry, 2021, 13(5), 821.
[5] S. Eh. Shirmovsky and D. V. Shulga, “Quantum relaxation processes in microtubule tryptophan system,” Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, vol. 617, p. 128687, May 2023, doi: 10.1016/j.physa.2023.128687.]
[6] Hameroff, S., & Penrose, R. « Orchestrated reduction of quantum coherence in brain microtubules: A model for consciousness. » Mathematics and Computers in Simulation, 1996, 40(3), 453-480.
[7] S. Hameroff, “Consciousness, Cognition and the Neuronal Cytoskeleton – A New Paradigm Needed in Neuroscience,” Front. Mol. Neurosci., vol. 15, Jun. 2022, doi: 10.3389/fnmol.2022.869935.
[8] S. Hameroff, “‘Orch OR’ is the most complete, and most easily falsifiable theory of consciousness,” Cognitive Neuroscience, vol. 12, no. 2, pp. 74–76, Apr. 2021, doi: 10.1080/17588928.2020.1839037.
[9] Kalra, A. P., Hameroff, S., Tuszynski, J., Dogariu, A., Nicolas, Sachin, & Gross, P. J. 2022, August 14. Anesthetic gas effects on quantum vibrations in microtubules – Testing the Orch OR theory of consciousness. https://osf.io/zqnjd/ Date created: 2020-04-01 Last Updated: 2022-08-14.
[10] P. Kurian, T. O. Obisesan, and T. J. A. Craddock, “Oxidative Species-Induced Excitonic Transport in Tubulin Aromatic Networks: Potential Implications for Neurodegenerative Disease,” J Photochem Photobiol B, vol. 175, pp. 109–124, Oct. 2017, doi: 10.1016/j.jphotobiol.2017.08.033.
[11] A. B. Fernández Casafuz, M. C. De Rossi, and L. Bruno, “Mitochondrial cellular organization and shape fluctuations are differentially modulated by cytoskeletal networks,” Sci Rep, vol. 13, no. 1, p. 4065, Mar. 2023, doi: 10.1038/s41598-023-31121-w
[12] M. B. Kelz and G. A. Mashour, “The Biology of General Anesthesia from Paramecium to Primate,” Current Biology, vol. 29, no. 22, pp. R1199–R1210, Nov. 2019, doi: 10.1016/j.cub.2019.09.071.
[13] H. Zadeh-Haghighi and C. Simon, “Radical pairs may play a role in microtubule reorganization,” Sci Rep, vol. 12, no. 1, p. 6109, Apr. 2022, doi: 10.1038/s41598-022-10068-4.
[14] A. P. Kalra et al., “Anesthetic gas effects on quantum vibrations in microtubules – Testing the Orch OR theory of consciousness,” Apr. 2020, Accessed: Sep. 03, 2024. [Online]. Available: https://osf.io/zqnjd/
[15] Haramein, N., Brown, W. D., & Val Baker, A. « The Unified Spacememory Network: from Cosmogenesis to Consciousness. » Neuroquantology, 2016, 14(4).
[16] H. J. H. Geesink and M. Schmieke, “Organizing and Disorganizing Resonances of Microtubules, Stem Cells, and Proteins Calculated by a Quantum Equation of Coherence,” JMP, vol. 13, no. 12, pp. 1530–1580, 2022, doi: 10.4236/jmp.2022.1312095.
