Terahertz electron paramagnetic resonance: A window on biological exploitation of quantum mechanics

太赫兹电子顺磁共振:量子力学生物利用的窗口

基本信息

  • 批准号:
    EP/J002518/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 96.33万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Fellowship
  • 财政年份:
    2011
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2011 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Everyone who reads a newspaper or watches the news on television will know that we are facing an energy crisis. The world's fossil-fuel energy reserves are dwindling and yet our thirst for energy is accelerating at an ever increasing rate. Scientists and engineers dream of solving this problem by harvesting the vast power of our Sun, storing its energy by breaking apart water and forming hydrogen gas. If only we could find an efficient and economical way of performing this chemical conversion the dream could become a reality. Our greatest hope today lies in harnessing the power of nature's own biological catalysts, enzymes, to promote desired chemical reactions. Enzymes are extremely efficient catalysts that allow chemical reactions to take place billions of times faster than normal. Unfortunately, enzymes are limited to the specific set of chemical reactions that they evolved to catalyse. Attempts to tailor enzymes to our needs have so far been disappointing. This is not surprising given our poor understanding of how they work. Conventional theory is unable to account for the incredible increases by which a reaction is speeded up by enzymes. A new emerging theory of enzyme catalysis suggests that if we had a window on this world we would see enzymes manipulating a phenomenon called quantum mechanical tunnelling to their advantage. We envisage chemical reactions overcoming the energy barrier that slows their progress, not by climbing over it, but by tunnelling directly through it. Even more strange, we think that enzymes might use their subtle vibrations to squeeze the energy barrier, reducing its thickness, to promote tunnelling and speed up the reaction. This project seeks to determine whether enzymes have indeed evolved to manipulate quantum mechanics, by using their movements to accelerate chemical reactions. In order to do this a novel instrument will be constructed to provide a unique window on this world. This instrument is based on a technique called Electron Paramagnetic Resonance (EPR), a cousin of the more familiar Magnetic Resonance Imaging (MRI) technology seen in hospitals. While existing instruments use microwave radiation, which limits their ability to distinguish features, this new instrument will use radiation that lies between the microwave and infra-red parts of the spectrum, so-called terahertz radiation. This will result in structural information being revealed in exquisite detail. In addition, flashes of terahertz radiation will be generated using pulses of laser light lasting less than one millionth of a millionth of a second enabling snap-shots to be taken of enzymes in action. The ability to watch these fast tunnelling processes is essential to our understanding of enzyme function and is far beyond the reach of existing instruments. Producing these action-packed enzyme movies with such high-definition structural information will rely on the precise timing between multiple bursts of terahertz radiation. To achieve these ambitious goals this project brings together a combination of industrial and academic collaborators with expertise in laser development, advanced EPR measurements and apparatus, and enzyme catalysis. Under my leadership, this project will provide knowledge crucially important to the successful exploitation of these remarkable biological catalysts.
每个读报或看电视新闻的人都知道我们正面临能源危机。世界上的化石燃料能源储备正在减少,而我们对能源的渴求却在以前所未有的速度加速。科学家和工程师梦想着通过收集太阳的巨大能量来解决这个问题,通过分解水和形成氢气来储存能量。只要我们能找到一种有效而经济的方法来进行这种化学转化,梦想就能成为现实。今天,我们最大的希望在于利用大自然自身的生物催化剂——酶——的力量来促进理想的化学反应。酶是非常有效的催化剂,能使化学反应以比正常情况快数十亿倍的速度进行。不幸的是,酶仅限于它们进化来催化的一组特定的化学反应。迄今为止,根据我们的需要定制酶的尝试令人失望。考虑到我们对它们的工作原理知之甚少,这并不奇怪。传统理论无法解释酶加速反应的惊人增长。一种关于酶催化的新理论表明,如果我们有一扇观察这个世界的窗户,我们就会看到酶在操纵一种被称为量子力学隧道效应的现象。我们设想化学反应克服阻碍其进展的能量障碍,不是通过爬过它,而是通过直接穿过它。更奇怪的是,我们认为酶可能会利用它们微妙的振动来挤压能量屏障,减少其厚度,从而促进隧穿并加速反应。这个项目试图通过酶的运动来加速化学反应,来确定酶是否真的进化到可以操纵量子力学。为了做到这一点,将建造一种新的仪器,为这个世界提供一个独特的窗口。这种仪器是基于一种叫做电子顺磁共振(EPR)的技术,是医院里更熟悉的磁共振成像(MRI)技术的一种。现有仪器使用的是微波辐射,这限制了它们区分特征的能力,而这台新仪器将使用位于光谱中微波和红外部分之间的辐射,即所谓的太赫兹辐射。这将导致结构信息被揭示在精致的细节。此外,太赫兹辐射的闪光将使用激光脉冲产生,持续时间不到百万分之一秒,从而可以对酶的活动进行快照。观察这些快速隧穿过程的能力对我们理解酶的功能至关重要,而且远远超出了现有仪器的范围。制作这些具有如此高清晰度结构信息的动感十足的酶电影将依赖于多次太赫兹辐射爆发之间的精确时间。为了实现这些雄心勃勃的目标,该项目汇集了工业界和学术界的合作伙伴,他们在激光开发、先进的EPR测量和设备以及酶催化方面具有专业知识。在我的领导下,这个项目将为成功开发这些卓越的生物催化剂提供至关重要的知识。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Electronic Structure of a Mixed-Metal Fluoride-Centered Triangle Complex: A Potential Qubit Component.
以氟化物为中心的混合金属三角配合物的电子结构:潜在的量子位组件。
  • DOI:
    10.1021/acs.inorgchem.5b01898
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Walsh JP
  • 通讯作者:
    Walsh JP
Generation of longitudinally polarized terahertz pulses with field amplitudes exceeding 2 kV/cm
  • DOI:
    10.1063/1.4901904
  • 发表时间:
    2014-11-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Cliffe, M. J.;Rodak, A.;Jamison, S. P.
  • 通讯作者:
    Jamison, S. P.
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Spencer B
  • 通讯作者:
    Spencer B
Longitudinally polarized single-cycle terahertz pulses generated with high electric field strengths
  • DOI:
    10.1063/1.4953024
  • 发表时间:
    2016-05-30
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Cliffe, M. J.;Graham, D. M.;Jamison, S. P.
  • 通讯作者:
    Jamison, S. P.
Demonstration of sub-luminal propagation of single-cycle terahertz pulses for particle acceleration.
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2017-09-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Walsh DA;Lake DS;Snedden EW;Cliffe MJ;Graham DM;Jamison SP
  • 通讯作者:
    Jamison SP
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  • 资助金额:
    $ 96.33万
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知道了