Transporte quântico mediado por interações coulombianas em canais iônicos

Canais iônicos são proteínas transmembrana que permitem a passagem rápida de íons específicos através da membrana celular. A explicação do processo responsável pela alta eficiência de condução de íons K+ (108 íons s1) e seletividade do canal iônico é um problema aberto na ciência. Dados cristalográficos possibilitam descrever a estrutura que media esse transporte, o filtro de seletividade. Através desses dados e usando simulações clássicas de dinâmica molecular, diferentes modelos funcionais para o mecanismo de condução e seletividade são desenvolvidos. Análises recentes mostram um mecanismo onde a repulsão direta entre íons de potássio sem suas camadas de hidratação seriam responsáveis por esse transporte rápido, confrontando modelos anteriores. Por outro lado, a abordagem clássica para processos biológicos na escala limite de nanômetros tem sido revisada, propondo-se que fenômenos quânticos sobreviveriam no transporte de cargas e energias em sistemas vivos, indo além do âmbito de simples ligações moleculares. Assumindo que o filtro de seletividade do canal iônico de potássio possa exibir coerência quântica no processo de condução iônica, estendemos modelos anteriores levando em consideração efeitos de repulsão coulombiana entre íons de potássio. As escalas de tempo do processo de transporte são reescaladas por essa interação, impondo limites em parâmetros de entrada e saída de íons no filtro. Primeiro analisamos o caso de duas partículas e, como observado em outros sistemas, encontramos taxas de ruído que ajudariam o transporte. Além disso, com o intuito de verificar efeitos mais drásticos de repulsão, analisamos a interação para números maiores de partículas e diferentes números de sítios de ligação dentro da estrutura do filtro. O aumento do número de partículas leva a uma saturação da ocupação no interior do filtro, caso onde é atingido um máximo de eficiência nas taxas de transferência. A variação no número de sítios permitiu que se estimasse o caso limite onde os intervalos de tempo de drenagem do filtro escalam linearmente com o número de partículas.An ion channel is a transmembrane protein that allows the fast flow of specific ions across the plasma membrane. The explanation for the high conduction efficiency (108 ions s 1) and selectivity of the K+ ion channel is still an open problem in science. Crystallographic data have provided a description of the structure that transports these ions: the selectivity filter. Through these data and classical molecular dynamics simulations, several functional models for the conduction and selectivity mechanism have been developed. On the one hand, recent analysis has shown a mechanism where direct repulsion between fully dehydrated potassium ions could be responsible for this rapid transport, conflicting with earlier models. On the other hand, the classical approach to biological processes in the nanometer limit has been recently revised, and it has been proposed that quantum phenomena survive in processes of charge and energy transport in living systems, extending beyond the scope of simple molecular bonds. Assuming that the potassium ion channel selectivity filter can exhibit quantum coherence in the ion conduction process, we extend previous models by taking into account the effects of Coulomb repulsion among potassium ions. The typical transport times are rescaled by this interaction, imposing limits on ion input/output parameters in the filter. Primarily, we study the case of two particles and find, as observed in other systems, noise rates that enhance ion transport. Furthermore, to verify more drastic repulsion effects, we analyze the interaction for more significant numbers of particles and for different numbers of binding sites within the filter structure. Increasing the number of particles leads to an occupancy saturation within the filter, achieving a maximal transfer efficiency. Decreasing the number of binding sites permits reaching the limiting case where the transport time scales linearly with the total number of particles

Transporte coerente em canais iônicos

Processos biológicos e efeitos quânticos parecem ocupar realidades diferentes uma vez que os organismos são constantemente sujeitos a ruídos introduzidos pelo meio. Esses ruídos tendem a destruir a coerência quântica fazendo com que processos clássicos dominem a dinâmica do sistema. Porém, recentemente, com a descoberta da ocorrência de processos coerentes no transporte de excitações em complexos fotossintéticos, a área denominada como Biologia Quântica começou a receber mais atenção. O mais intrigante é que, nesses complexos fotossintéticos, dependendo da combinação do ruído do meio com o processo coerente, um aumento na eficiência do transporte poderá ser observada. Com esses resultados, questões fundamentais como a de que sistemas biológicos poderiam tirar vantagens da Mecânica Quântica surgem naturalmente. Nesse estudo, analisamos se o tunelamento coerente poderia explicar a alta eficiência observada em um canal iônico de potássio. Plenio e colaboradores [1] argumentaram que o tunelamento coerente e o ruído dephasing pode explicar a alta taxa de transporte nos canais iônicos. Discutimos também se o mesmo ocorre com o ruído térmico. Baseando-se nas hipóteses feitas por Plenio [1], analisamos o efeito do ruído térmico concluindo que o mesmo pode melhorar a condutividade, mas também pode impor restrições, uma vez que o tempo de coerência diminui severamente.Quantum e ects and biological processes seem to occupy di erent realms, given that organisms are constantly subjected to noise from the environment. Noise processes tend to destroy the coherence of the system, hence classical processes are expected to dominate the dynamics. Nevertheless, with the recent discovery that coherent processes occur in the excitation energy transport in photosynthetic complexes, the area known as Quantum Biology started receiving special attention. The most interesting point here is that in these photosynthetic complexes the right interplay between noise and quantum coherence seems to improve transport e ciency. In this dissertation we investigate whether coherent tunneling could explain the high e ciency observed in ion channels. It has been argued by Plenio et al [1] that coherent tunneling and dephasing noise can explain the high conductance in ionic channels. We have analyzed whether the same occurs when thermal noise are also taken into account. Based on Plenio et al [1] assumptions, we have analysed the e ect of thermal noise to conclude that it can improve conductivity but can also impose restrictions since the coherence time is severely diminished

Sobre o fenômeno da descoerência em sistemas quânticos

O objetivo principal desse trabalho é um estudo introdutório sobre o fenômeno da descoerência. Esse processo físico pode, em princípio, explicar como o mundo clássico emerge do mundo quântico. O entendimento do fenômeno de descoerência tem fundamental importância não somente para o status da teoria quântica, mas também para uma discussão filosófica acerca da nossa visão de mundo. Uma vez que a mecânica quântica tem sua validade assegurada devido às suas predições corretas no âmbito experimental, ainda não se sabe quais das interpretações físicas sobre os processos é a mais adequada. A maioria da comunidade Física utiliza a interpretação de Copenhageni, mas isso não significa que esta seja a mais correta, mas sim, que tem mais adeptos. Do ponto de vista das áreas mais aplicadas da Física, a compreensão desse fenômeno também é de vital importância para a o desenvolvimento da nanotecnologia, da computação quântica, da criptografia quântica e do teletransporte. Nesse trabalho será enfatizado o fenômeno da descoerência para o caso de uma partícula livre se movendo em uma dimensão. Analisaremos a evolução do pacote de onda com o tempo ilustrando a perda de coerência do pacote em virtude das interações da partícula com um reservatório térmico. Para ilustrar a situação, apresentaremos resultados numéricos que simulam a evolução temporal da partícula em duas situações distintas: temperatura nula e temperatura finita, evidenciando a influência do meio na perda de coerência.The main goal of this work is an introductory study on the phenomenon of decoherence. This physical process can in principie explain how the classical world emerges from the quantum world. The understanding of the phenomenon of decoherence is very important not only for the quantum theory, but also for a philosophical discussion about our world vision. Since quantum mechanics has ensured its validity because of their correct predictions in an experimental setting, it remains unclear which of its possible interpretations is more appropriate. Most of the physics community are aligned to the Copenhagen interpretation, but that only means it has more followers. From the standpoint of the more applied areas of physics, the understanding of decoherence is also of vital importante for the development of nanotechnology, quantum computing, quantum cryptography and teleportation. We will emphasize the phenomenon of decoherence for the case of a free particle moving in one dimension. We will review the evolution of the wave packet and will show its loss of coherence, since the particles interact with a thermal reservoir. To illustrate the situation, we present numerical results that simulate the evolution of the particle in two different situations: zero temperature and finite temperature

Transporte quântico mediado por interações coulombianas em canais iônicos

Canais iônicos são proteínas transmembrana que permitem a passagem rápida de íons específicos através da membrana celular. A explicação do processo responsável pela alta eficiência de condução de íons K+ (108 íons s1) e seletividade do canal iônico é um problema aberto na ciência. Dados cristalográficos possibilitam descrever a estrutura que media esse transporte, o filtro de seletividade. Através desses dados e usando simulações clássicas de dinâmica molecular, diferentes modelos funcionais para o mecanismo de condução e seletividade são desenvolvidos. Análises recentes mostram um mecanismo onde a repulsão direta entre íons de potássio sem suas camadas de hidratação seriam responsáveis por esse transporte rápido, confrontando modelos anteriores. Por outro lado, a abordagem clássica para processos biológicos na escala limite de nanômetros tem sido revisada, propondo-se que fenômenos quânticos sobreviveriam no transporte de cargas e energias em sistemas vivos, indo além do âmbito de simples ligações moleculares. Assumindo que o filtro de seletividade do canal iônico de potássio possa exibir coerência quântica no processo de condução iônica, estendemos modelos anteriores levando em consideração efeitos de repulsão coulombiana entre íons de potássio. As escalas de tempo do processo de transporte são reescaladas por essa interação, impondo limites em parâmetros de entrada e saída de íons no filtro. Primeiro analisamos o caso de duas partículas e, como observado em outros sistemas, encontramos taxas de ruído que ajudariam o transporte. Além disso, com o intuito de verificar efeitos mais drásticos de repulsão, analisamos a interação para números maiores de partículas e diferentes números de sítios de ligação dentro da estrutura do filtro. O aumento do número de partículas leva a uma saturação da ocupação no interior do filtro, caso onde é atingido um máximo de eficiência nas taxas de transferência. A variação no número de sítios permitiu que se estimasse o caso limite onde os intervalos de tempo de drenagem do filtro escalam linearmente com o número de partículas.An ion channel is a transmembrane protein that allows the fast flow of specific ions across the plasma membrane. The explanation for the high conduction efficiency (108 ions s 1) and selectivity of the K+ ion channel is still an open problem in science. Crystallographic data have provided a description of the structure that transports these ions: the selectivity filter. Through these data and classical molecular dynamics simulations, several functional models for the conduction and selectivity mechanism have been developed. On the one hand, recent analysis has shown a mechanism where direct repulsion between fully dehydrated potassium ions could be responsible for this rapid transport, conflicting with earlier models. On the other hand, the classical approach to biological processes in the nanometer limit has been recently revised, and it has been proposed that quantum phenomena survive in processes of charge and energy transport in living systems, extending beyond the scope of simple molecular bonds. Assuming that the potassium ion channel selectivity filter can exhibit quantum coherence in the ion conduction process, we extend previous models by taking into account the effects of Coulomb repulsion among potassium ions. The typical transport times are rescaled by this interaction, imposing limits on ion input/output parameters in the filter. Primarily, we study the case of two particles and find, as observed in other systems, noise rates that enhance ion transport. Furthermore, to verify more drastic repulsion effects, we analyze the interaction for more significant numbers of particles and for different numbers of binding sites within the filter structure. Increasing the number of particles leads to an occupancy saturation within the filter, achieving a maximal transfer efficiency. Decreasing the number of binding sites permits reaching the limiting case where the transport time scales linearly with the total number of particles

Sobre o fenômeno da descoerência em sistemas quânticos

O objetivo principal desse trabalho é um estudo introdutório sobre o fenômeno da descoerência. Esse processo físico pode, em princípio, explicar como o mundo clássico emerge do mundo quântico. O entendimento do fenômeno de descoerência tem fundamental importância não somente para o status da teoria quântica, mas também para uma discussão filosófica acerca da nossa visão de mundo. Uma vez que a mecânica quântica tem sua validade assegurada devido às suas predições corretas no âmbito experimental, ainda não se sabe quais das interpretações físicas sobre os processos é a mais adequada. A maioria da comunidade Física utiliza a interpretação de Copenhageni, mas isso não significa que esta seja a mais correta, mas sim, que tem mais adeptos. Do ponto de vista das áreas mais aplicadas da Física, a compreensão desse fenômeno também é de vital importância para a o desenvolvimento da nanotecnologia, da computação quântica, da criptografia quântica e do teletransporte. Nesse trabalho será enfatizado o fenômeno da descoerência para o caso de uma partícula livre se movendo em uma dimensão. Analisaremos a evolução do pacote de onda com o tempo ilustrando a perda de coerência do pacote em virtude das interações da partícula com um reservatório térmico. Para ilustrar a situação, apresentaremos resultados numéricos que simulam a evolução temporal da partícula em duas situações distintas: temperatura nula e temperatura finita, evidenciando a influência do meio na perda de coerência.The main goal of this work is an introductory study on the phenomenon of decoherence. This physical process can in principie explain how the classical world emerges from the quantum world. The understanding of the phenomenon of decoherence is very important not only for the quantum theory, but also for a philosophical discussion about our world vision. Since quantum mechanics has ensured its validity because of their correct predictions in an experimental setting, it remains unclear which of its possible interpretations is more appropriate. Most of the physics community are aligned to the Copenhagen interpretation, but that only means it has more followers. From the standpoint of the more applied areas of physics, the understanding of decoherence is also of vital importante for the development of nanotechnology, quantum computing, quantum cryptography and teleportation. We will emphasize the phenomenon of decoherence for the case of a free particle moving in one dimension. We will review the evolution of the wave packet and will show its loss of coherence, since the particles interact with a thermal reservoir. To illustrate the situation, we present numerical results that simulate the evolution of the particle in two different situations: zero temperature and finite temperature

Transporte coerente em canais iônicos

Processos biológicos e efeitos quânticos parecem ocupar realidades diferentes uma vez que os organismos são constantemente sujeitos a ruídos introduzidos pelo meio. Esses ruídos tendem a destruir a coerência quântica fazendo com que processos clássicos dominem a dinâmica do sistema. Porém, recentemente, com a descoberta da ocorrência de processos coerentes no transporte de excitações em complexos fotossintéticos, a área denominada como Biologia Quântica começou a receber mais atenção. O mais intrigante é que, nesses complexos fotossintéticos, dependendo da combinação do ruído do meio com o processo coerente, um aumento na eficiência do transporte poderá ser observada. Com esses resultados, questões fundamentais como a de que sistemas biológicos poderiam tirar vantagens da Mecânica Quântica surgem naturalmente. Nesse estudo, analisamos se o tunelamento coerente poderia explicar a alta eficiência observada em um canal iônico de potássio. Plenio e colaboradores [1] argumentaram que o tunelamento coerente e o ruído dephasing pode explicar a alta taxa de transporte nos canais iônicos. Discutimos também se o mesmo ocorre com o ruído térmico. Baseando-se nas hipóteses feitas por Plenio [1], analisamos o efeito do ruído térmico concluindo que o mesmo pode melhorar a condutividade, mas também pode impor restrições, uma vez que o tempo de coerência diminui severamente.Quantum e ects and biological processes seem to occupy di erent realms, given that organisms are constantly subjected to noise from the environment. Noise processes tend to destroy the coherence of the system, hence classical processes are expected to dominate the dynamics. Nevertheless, with the recent discovery that coherent processes occur in the excitation energy transport in photosynthetic complexes, the area known as Quantum Biology started receiving special attention. The most interesting point here is that in these photosynthetic complexes the right interplay between noise and quantum coherence seems to improve transport e ciency. In this dissertation we investigate whether coherent tunneling could explain the high e ciency observed in ion channels. It has been argued by Plenio et al [1] that coherent tunneling and dephasing noise can explain the high conductance in ionic channels. We have analyzed whether the same occurs when thermal noise are also taken into account. Based on Plenio et al [1] assumptions, we have analysed the e ect of thermal noise to conclude that it can improve conductivity but can also impose restrictions since the coherence time is severely diminished

Critical care admission following elective surgery was not associated with survival benefit: prospective analysis of data from 27 countries

This was an investigator initiated study funded by Nestle Health Sciences through an unrestricted research grant, and by a National Institute for Health Research (UK) Professorship held by RP. The study was sponsored by Queen Mary University of London