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O DNA como um computador quântico perfeito baseado nos princípios da física quântica

 

https://www.nature.com/articles/s41598-024-62539-5


O DNA como um computador quântico perfeito baseado nos princípios da física quântica

volume
 14 , Número do artigo:  11636 ( 2024 ) 

Resumo

O DNA é uma molécula complexa de multirresolução cujo estudo teórico é um desafio. Sua natureza multiescala intrínseca requer química e física quântica para entender a estrutura e informática quântica para explicar sua operação como um computador quântico perfeito. Aqui, apresentamos resultados teóricos do DNA que permitem uma melhor descrição de sua estrutura e do processo de operação na transmissão, codificação e decodificação de informações genéticas. A aromaticidade é explicada pelo estado quântico ressonante oscilatório de pares de elétrons e lacunas correlacionados devido à energia vibracional molecular quantizada atuando como uma força atrativa. Os pares correlacionados formam uma supercorrente nas bases nitrogenadas em uma única banda
𝜋
-orbital molecular (𝜋
-MO). A função de onda MO
(Φ)
é assumido como a combinação linear dos orbitais atômicos constituintes n. A ligação de hidrogênio central entre adenina (A) e timina (T) ou guanina (G) e citosina (C) funciona como uma junção Josephson ideal. A abordagem de um efeito Josephson entre dois supercondutores é corretamente descrita, bem como a condensação das bases nitrogenadas para obter os dois estados quânticos emaranhados que formam o qubit. Combinando o estado quântico do sistema composto com a informação clássica, a RNA polimerase teletransporta um dos quatro estados de Bell. O DNA é um computador quântico perfeito.

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Introdução

Os processos naturais são baseados em códigos que estabelecem as leis e princípios que regem as relações e interações da física, química, biologia, e os conceitos de matéria, espaço e tempo. Por exemplo, nosso sistema numérico decimal tem números de zero a dez. Com esses dez números, o conjunto de todos os números reais é constituído. Da mesma forma, as instruções em um gene que diz a uma célula como fazer uma proteína específica estão contidas em nosso código genético 1 , 2 . O alfabeto do gene codificador de proteínas é baseado em quatro compostos heteroaromáticos de nitrogênio, Adenina (A), Guanina (G), Timina (T) e Citosina (C), classificados em dois tipos: as purinas (A e G) e as pirimidinas (C e T). As duas fitas complementares de Ácidos Desoxirribonucleicos (DNA) constituídas por nucleotídeos ligados por uma ligação fosfodiéster 3'–5' são mantidas juntas pelas ligações de Hidrogênio (H) (ligação H) que surgem entre uma purina e uma base nucleica pirimidina (AT ou GC). Esta estrutura foi proposta em 1953 por Watson e Crick 3 . No entanto, os pares de bases Watson-Crick ou canônicos são apenas duas das dez combinações possíveis entre as bases nitrogenadas 4 .

Avanços no sequenciamento de DNA abrem perspectivas para análise rápida e confiável do genoma, prometendo o estabelecimento da medicina personalizada em câncer e outros problemas de saúde 5 . É fascinante obter acelerações computacionais polinomiais e exponenciais para uma solução eficiente para os problemas associados às técnicas de sequenciamento de DNA. A computação quântica é baseada em um conjunto de operações a serem realizadas simultaneamente, mais conhecido como paralelismo, que não usa bits clássicos como base da computação. Ela usa um sistema quântico de dois estados que se conformam a um bit quântico (qubit) 6 . Um qubit tem os valores zero e um e a sobreposição dos estados binários. O estado normalizado mais geral pode ser expresso como uma combinação linear desses valores:
UM|0+𝐵|1
, onde A e B são números complexos que satisfazem
|UM|2+|𝐵|2=1
, e a fase geral é fisicamente irrelevante 7 .

O menor espaço de Hilbert complexo não trivial é bidimensional
você=[|0,|1]
, e contém qubits como seus vetores unitários 8 . O mecanismo de medição de qubit é feito em relação à base ortonormal. Neste caso, o resultado
|0
é
|UM|2
, e o resultado
|1
é
|𝐵|2
9. Uma unidade de estado vetorial qubit é denotada como
|0=[10]
e
|1=[01]
. O produto direto dos espaços de Hilbert de cada subsistema constituinte fornece a estrutura do espaço de Hilbert em um sistema composto. Em contraste, as medições associadas a cada subsistema atuarão exclusivamente em seu espaço de Hilbert correspondente 10 . Os qubits podem operar simultaneamente em todas as strings de entrada binárias possíveis de qualquer comprimento n, onde n é o número do sistema de um qubit na forma de
2não
. Assim, o espaço de Hilbert cresce exponencialmente com o número de partículas 11 .

Geralmente, qualquer sistema quântico com dois estados bem definidos é suficiente para criar um qubit 11 . Por exemplo, se falamos sobre o spin de um elétron, seus estados podem ser combinações lineares do spin para cima
()
ou para baixo
()
:
um|+𝛽|
. Alguns sistemas quânticos bem caracterizados nos quais seus estados eletrônicos representam os estados de qubit são armadilhas de íons ou átomos 12 , pontos quânticos 13 , os spins nucleares de uma ou várias moléculas 6 e os loops supercondutores com uma corrente persistente 6 . A criptografia de DNA é um campo criptográfico recém-nascido que surgiu com a pesquisa da computação de DNA, na qual o polímero biológico é usado como um recurso de informação e a tecnologia biológica moderna como uma ferramenta de implementação 14 . Nossa compreensão da física de moléculas biológicas, como o DNA, é limitada devido à complexidade configuracional das biomoléculas. Não podemos estabelecer algoritmos eficientes mesmo com as melhores instalações atuais de supercomputação.

Manipulações dos sistemas quânticos incluem operações de gate 6 , armazenamento de informações 15 , proteção contra os efeitos do ruído 16 , a criação de emaranhamento para teletransporte 17 e troca de emaranhamento 18 . Embora um qubit possa variar continuamente entre um conjunto de estados quânticos, ele pode assumir um único estado determinístico como um único bit clássico após sua medição. O processo só pode ser aplicado uma vez, pois perde sua superposição quando um qubit é medido 19 . O poder da computação quântica é provocado por seu paralelismo e emaranhamento inerentes. É possível, por exemplo, dada uma função f, avaliar simultaneamente f(x) para muitos valores x com a simples aplicação de um gate quântico 20 . Qualquer circuito quântico pode ser simulado com precisão arbitrária usando uma combinação de gates controlados (C-Gates), como o gate NOT controlado (CNot) e rotações de qubit 21 .

Embora um progresso considerável tenha sido feito na compreensão dos processos dinâmicos quânticos, uma analogia totalmente abrangente na análise de DNA ainda não foi encontrada. Uma grande diferença entre materiais moleculares e sólidos inorgânicos estendidos está na capacidade de ter interações relativamente fracas entre as redes moleculares, principalmente devido a contatos intermoleculares, como forças de Van der Waals ou ligações H- 22 . Aqui, aplicamos aproximações físicas para demonstrar teoricamente que AT e CG são estados quânticos maximamente emaranhados e podem ser exemplos de dois supercondutores acoplados, como em alguns sólidos. Uma junção Josephson pode ser formada com dois supercondutores moleculares (AT e CG) conectados a uma ligação H central. A supercorrente elétrica gerada pelos pares de elétrons confinados nos pares de bases canônicos
𝜋
-nuvem é devido à formação de estados quânticos ressonantes oscilatórios entre pares de elétrons e buracos. Em nossa abordagem de modelo para informática genética, representamos qubits com base em diferentes pares de indicadores binários-oposicionais de A, G, C e T. Usando o paralelismo quântico para imitar a maneira como os algoritmos paralelos clássicos atuais funcionam, aqui especulamos sobre como as informações são obtidas pela leitura de um determinado gene. Para entender a biologia no nível molecular, é necessário relacionar a estrutura complexa, a química diversa e os conceitos tradicionais dos princípios da física quântica-estado sólido. Deus criou o computador quântico perfeito: o DNA.

Estrutura do alfabeto de DNA

Os DNAs são polímeros feitos de blocos de construção discretos que conferem especificidade funcional. Quatro compostos heteroaromáticos de nitrogênio (N) são combinados em nosso DNA para formar tripletos para codificar um aminoácido 2 , 23 . Os dois anéis fundidos que compõem as purinas têm quatro N 24 . Em um deles, o par solitário é deslocalizado e faz parte do
𝜋
sistema de elétrons do anel aromático 25 . Pirimidinas são compostos orgânicos como benzeno e piridina, mas com dois átomos de N que substituem o carbono nas posições um e três 24 . Deslocalizado
𝜋
sabe-se que nuvens de elétrons de resíduos aromáticos estão envolvidas em
𝜋
-
𝜋
interações 26 .

Insights sobre a natureza das interações não covalentes e a energia de estabilização/entalpia das bases de ácido nucleico explicam a estrutura e a estabilidade resultantes. Os pares AT e CG formam ligações H duplas e triplas entre os grupos amina e carbonila. O empilhamento aromático envolvendo o deslocalizado
𝜋
elétrons dos anéis também é crucial 4 . O
𝜋
-
𝜋
a interação é conceitualmente semelhante ao empilhamento de duas moléculas de benzeno e
𝜋
𝜋
alinhamento onde a maior parte da área do plano do anel se sobrepõe é encontrado em apenas um número limitado de estruturas 27 . O pareamento de purinas e pirimidinas pode resultar em parte de restrições dimensionais, pois a combinação permite uma geometria de largura constante para a hélice espiral do DNA. Os pares de bases Watson–Crick permitem que a hélice do DNA mantenha uma estrutura helicoidal regular com um diâmetro de aproximadamente 2,0 nm 3 . Outras combinações parecem menos possíveis; por exemplo, o empilhamento entre dois C protonados é repulsivo 28 . A repulsão é evidente em triplexes de DNA, onde dois C protonados consecutivos não são tolerados, desestabilizando drasticamente a formação de triplexes Pyr-Pur-Pyr com dois ou mais G sucessivos nas entalpias de estabilização da segunda fita 29 , 30 .

A complexidade da interação de energias de interação intrínsecas precisas em ácidos nucleicos é tão variável que uma interação pode ter um efeito notavelmente diferente na estabilidade do empilhamento em todas as estruturas específicas. O empilhamento intercadeia e intracadeia nas hélices duplas de um ácido nucleico são exemplos salientes de como as interações não covalentes são de importância primária na biologia 4 . Além disso, um par de bases intramoleculares pode ocorrer dentro de ácidos nucleicos de fita simples. No ácido ribonucleico (RNA), os pares de bases AU e CG permitem a formação de hélices curtas de fita dupla. O pareamento de bases não canônico e outras interações de ligação H, como AA, UU, CC, GG, AC, AG, UC e UG, foram descritos no RNA, contribuindo para a adoção de estruturas tridimensionais (3D) específicas 31 . A nucleobase Uracila (U) geralmente toma o lugar de T no RNA e difere dele por não ter um grupo metil em seu anel 32 .

O mecanismo de transferência de prótons simples ou múltiplos em bases de DNA foi investigado para explicar como o par de bases é formado 33 . No entanto, a análise dos dados publicados disponíveis não fornece evidências decisivas. Em oposição às bases pareadas de Watson e Crick, AA, CC, GG, TT, AC, AG, TC e TG têm estruturas químicas que diferem na posição do átomo de H 34 . Gorb e colaboradores sugeriram que as bases pareadas não Watson e Crick são produtos de transferência de prótons intra e/ou intermolecular 35 . A automontagem canônica de bases pareadas pode constituir um caso de uma reação hetero-Diels-Alder na qual as regras de Woodward-Hoffmann se aplicariam a
𝜋
sistemas envolvendo heteroátomos, como carbonilas e iminas, que fornecem os heterociclos correspondentes. Reações orgânicas que obedecem a essas regras são permitidas pela simetria 23 , 36 .

O DNA biológico está principalmente na forma B, com os pares de bases vizinhos tendo uma separação média de cerca de 3,4 Å e um ângulo de torção relativo de cerca de 36° em torno do eixo helicoidal 37 . Esta estrutura é regular, com os pares de bases tendo uma sobreposição geométrica substancial (perfeitamente empilhados) 38 . Outra hélice dupla pode ser encontrada definindo as ranhuras entre as fitas duplas. Esses espaços são adjacentes aos pares de bases e podem fornecer as sequências específicas dos fatores de transcrição de sítios de ligação 39 . Como as fitas não estão localizadas simetricamente uma em torno da outra, elas são desigualmente dimensionadas. A ranhura principal tem 2,2 nm de largura, enquanto a ranhura menor tem 1,2 nm de largura 3 , 40 . Algumas condições conferem estabilidade às fitas duplas de DNA: o conteúdo de GC e o comprimento da sequência específica 41 . Devido ao alto conteúdo de AT, a caixa TATAAT Pribnow em alguns promotores torna as fitas mais fáceis de dividir 42 .

Pares solitários e grupos de elétrons nas nucleobases nitrogenadas como pares de Cooper: estado quântico ressonante oscilatório entre pares de elétrons e lacunas

Em um material condutor, as propriedades elétricas são devidas aos elétrons mais energéticos próximos à energia de Fermi (
𝐸𝐹)
. Em um par de Cooper, uma interação atrativa entre dois elétrons no nível de Fermi produz um estado ligado com uma energia total menor que
2𝐸𝐹
43 . A afinidade eletrônica é explicada por Cooper 44 , considerando a tela da interação elétron-elétron por uma constante dielétrica total devido aos fônons e elétrons. Ela é imposta como condição que a energia do fônon precisa ser maior que a diferença de energia entre os pares de elétrons. Assim, a repulsão de Coulomb blindada se torna negativa, interpretando esse sinal como uma atração entre os dois elétrons. Esses pares são os portadores da supercondutividade na Teoria BCS (J. Bardeen, LN Cooper e JR Schrieffer) e são responsáveis ​​pela lacuna no espectro de energia 45 .

A aromaticidade está relacionada com a ciclicidade
𝜋
 deslocalização de elétrons em circuitos fechados, dando origem à estabilização de energia, equalização do comprimento de ligação, grandes anisotropias magnéticas e propriedades químicas únicas 46 . Em sistemas cíclicos, o conceito de permutações, que permutam elétrons circularmente ao redor do anel, foi descrito 47 . Permutações de anel foram nomeadas, frequentemente se tornando os termos mais significativos após a transposição do vizinho mais próximo 48 .

A noção de "buraco" foi desenvolvida por Werner Heisenberg em 1931 como a ausência de um elétron na banda de valência 49 . É uma maneira útil de analisar o movimento de muitos elétrons, considerando um buraco como uma quasipartícula 50 . O elétron-buraco tem valores absolutos da mesma carga, mas, diferentemente do elétron, é positivo 51 . Os orbitais desocupados agem como um buraco.

Na teoria clássica da Ligação de Valência (VB), a aromaticidade é explicada pela ressonância entre estruturas de Kekule 47 . Considerando a presença de circuitos conjugados no par de bases nitrogenadas, explicamos a aromaticidade pelos estados quânticos ressonantes oscilatórios entre pares de elétrons e buracos. Neste trabalho, assim como os Pares de Cooper, os pares de elétrons e buracos são formados nas bases nitrogenadas, não pela relação elétron-fônon-elétron estabelecida por Cooper, mas pela interação elétron-energia vibracional-elétron. Os elétrons nas moléculas experimentam uma interação direta de Coulomb entre si e interação Coulombic com os núcleos atômicos. Esta última assume a forma da interação vibrônica 52 . Neste trabalho, consideramos o fônon de Cooper como um Bóson da Biologia
(𝐵𝑏
), representada pela energia vibracional molecular quantizada.

Na Fig.  1 , descrevemos o processo geral de estados quânticos ressonantes oscilatórios entre pares de elétrons e lacunas que se formam em
𝜋
orbitais. A sobreposição de dois
𝑝por
orbitais aproximam dois elétrons com spin igual. Agora temos duas interações: a repulsão Coulombiana e a elétron-energia vibracional-elétron. Devido à repulsão Coulombiana, o elétron um (
𝑒1
) é forçado a ocupar a posição do buraco um (
𝑜1
) com impulso
𝑃
e energia
𝐸(𝑃)
e emite
𝐵𝑏
para o elétron dois (
𝑒2
). O
𝑒2
absorve
𝐵𝑏
e vai para o buraco dois (
𝑜2
) posição com momentum
𝑃𝐸
e energia
𝐸(𝑃𝐸)
. Na segunda metade da oscilação,
𝑒1
e
𝑒2
intercâmbio
𝐵𝑏
para retornar às suas posições originais (Fig.  1 ). A diferença de energia entre os elétrons é a mesma que
𝐵𝑏
. Essa é a condição para que os pares de elétrons e buracos, um abaixo e um acima do nível de Fermi com momentum oposto, oscilem. Os elétrons não podem ocupar outros estados, então eles não interagem com outros átomos na molécula. A resistência ou energia de dispersão é cancelada. A função de onda para o par correlacionado (
𝑒1,𝑒2
) no estado quântico ressonante oscilatório entre pares de elétrons e lacunas na representação do momento é
|𝑃+𝐸;𝑃
, e para o par de buracos (
𝑜1
,
𝑜2
) é
|𝑃𝐸;𝑃
.

Figura 1
figura 1

O estado quântico ressonante oscilatório entre pares de elétrons e buracos. O modelo geral da formação de pares de elétrons na presença de pares de buracos. A força atrativa entre elétrons e pares de buracos é a vibração molecular quantizada (
𝐵𝑏=𝜔)
. Troca de elétrons
𝐵𝑏
. A diferença de energia entre elétrons e lacunas é
𝐵𝑏
. O momento total é
±𝐸.

Onde: K é o momento de
𝐵𝑏
e
𝜔
sua energia.

A diferença no momento total dos pares de elétrons e lacunas é dada por:

𝑃+𝐸+𝑃=2𝑃+𝐸 para os pares de elétrons e
(𝑃+𝐸)𝑃=2𝑃𝐸 para os pares de buracos

A soma do momento total dos pares de elétrons e lacunas é dada por:

𝑃+𝐸𝑃=𝐸 para os pares de elétrons e
(𝑃+𝐸)+𝑃=𝐸 para os pares de buracos

Devido à descrição do Orbital Molecular (MO) do Benzeno fornecer um tratamento mais satisfatório e geral da "aromaticidade" 53 , 54 , analisaremos primeiro sua estrutura usando o estado quântico ressonante oscilatório entre pares de elétrons e buracos. O anel de seis membros no Benzeno é um hexágono perfeito com todas as ligações Carbono-Carbono tendo um comprimento idêntico de 139 pm 55 . Todos os Carbonos são
𝑒𝑝2
hibridizado e tem um não hibridizado
𝑝por
orbital perpendicular ao plano do anel 56 . Quando as fases correspondem, os seis se sobrepõem igualmente com ambos os orbitais adjacentes para gerar uma região comum de uma fase semelhante, com aqueles orbitais tendo a sobreposição mais significativa sendo os de menor energia 53 , 57 . Os elétrons de valência de carbono restantes então ocupam esses orbitais moleculares em pares, resultando em um conjunto totalmente ocupado (seis elétrons) de orbitais moleculares de ligação 53 . Esta camada fechada dá ao anel de benzeno sua estabilidade termodinâmica e química, assim como um octeto de camada de valência preenchido confere estabilidade a gases inertes 55 . Chamamos esta região comum de
𝜋
-MO de Benzeno (
𝜋
-MO B ).

Quando
𝜋
-MO B é formado e de acordo com o modelo da Teoria de Repulsão de Pares de Elétrons da Camada de Valência (VSEPR), as regiões carregadas negativamente irão se repelir, fazendo com que elas (e portanto as ligações químicas) sejam orientadas para serem o mais espaçadas possível para minimizar as repulsões 58 . Assim, no Benzeno, três uniões são formadas porque as não hibridizadas
𝑝por
orbitais do Carbono-Carbono duplamente ligado se sobrepõem, forçando os elétrons a serem distribuídos em pares com spins opostos 58 . Ao mesmo tempo, a interação de repulsão força um reajuste da geometria molecular, gerando a mesma distância de ligações Carbono-Carbono (Fig.  2 a,b). Sobreposição
𝑝por
orbitais em átomos adjacentes formam uma estrutura estendida
𝜋
-sistema de ligação.

Figura 2
figura 2

O estado quântico ressonante oscilatório da molécula de benzeno entre pares de elétrons e lacunas. ( A ) Não hibridizado em face
𝑝por
orbitais da sobreposição de carbono-carbono duplamente ligado. ( B ) Reajuste da geometria molecular, gerando a mesma distância de ligações carbono-carbono. ( C ) Estados quânticos ressonantes oscilatórios entre pares de elétrons e lacunas para explicar a aromaticidade na molécula de benzeno. ( D ) O diagrama mostra o arranjo de uma corrente anular na estrutura eletrônica da função de onda do estado fundamental do benzeno.

Condição de correlação em pares: A diferença de energia entre os pares de elétrons e lacunas é igual à vibração da rede quantizada,
𝐵𝑏
com
𝐵𝑏=𝜔
, e
𝐸𝑒1𝐸𝑒2=𝜔
,
𝐸𝑒3𝐸𝑒4=𝜔
, e
𝐸𝑒5𝐸𝑒6=𝜔
. Partindo do estado inicial A, em meia oscilação, o elétron
𝑒1
emite
𝐵𝑏
para
𝑒2,
produzindo seu movimento em direção ao buraco h 2 . Elétrons
𝑒3
e
𝑒5
emitir um
𝐵𝑏
para elétrons
𝑒4
 e
𝑒6
, respectivamente. Assim, na metade da oscilação, obtemos o estado B. Então, os elétrons
𝑒2
,
𝑒4
, e
𝑒6
emitir para
𝑒1
,
𝑒3
, e
𝑒5
, recuperando o estado inicial A (Fig.  2 c,d). Chamamos esse movimento que explica a correlação dos pares de: estado quântico ressonante oscilatório entre pares de elétrons e buracos no Benzeno.

O estado interno dos pares de elétrons e lacunas usando a equação de Schrödinger e seguindo a fórmula de Riera et al. 59 e BCS na formação dos pares de Cooper na Teoria da Supercondutividade 43 , 45 , é representado por:

𝑂EUNão𝐸:

Hamiltoniano do estado interno do par equivalente à energia de ligação.

|𝜓𝑥𝑥

: Função de onda dos pares de elétrons correlacionados em
𝜋
-MO, onde
𝑥𝑥
identifica os elétrons correlacionados. Por exemplo,
|𝜓𝑒1𝑒2
, par correlacionado (
𝑒1
,
𝑒2
) função de onda.

|𝜓𝑒𝑒

: Função de onda de buraco, onde
𝑒𝑒
identifica os pares de buracos correlacionados.

𝑂EUNão𝐸=você𝑒1𝑒2+você𝑒1𝐵𝑏𝑒2

, onde
você𝑒1𝑒2
representa o potencial de interação de repulsão de Coulomb e
você𝑒1𝐵𝑏𝑒2
representa o potencial de elétrons
𝐵𝑏
- interação de elétrons com
𝑒1
que emite a energia de
𝐵𝑏
 para
𝑒2
que o absorve.

𝑂EUNão𝐸|𝜓(𝑒1,𝑒2)=(você𝑒1𝑒2+você𝑒1𝐵𝑏𝑒2)|𝜓(𝑒1,𝑒2=(𝐸𝑒1𝑒2+𝐸𝑒1𝐵𝑏𝑒2)|𝜓(𝑜1,𝑜2)
(1)

Temos aqui a meia oscilação do par.

𝐸𝑒1𝑒2

é a energia repulsiva de Coulomb e é comutativa:
𝐸𝑒1𝑒2=𝐸𝑒2𝑒1
.

A equação ( 1 ) corresponde ao processo de interação elétron-
𝐵𝑏
-elétron
𝑒1𝐵𝑏𝑒2
passando o sistema do estado A para o estado B.

Em uma oscilação completa, ele vai do estado B para o A, mas é e 2 que emite o
𝐵𝑏
 para e 1 que o absorve:

𝑂*EUNão𝐸=você𝑒2𝑒1+você𝑒2𝐵𝑏𝑒1
𝑂*EUNão𝐸𝑂EUNão𝐸=Δ2

O quadrado da energia de ligação

𝑂*EUNão𝐸𝑂EUNão𝐸|𝜓(𝑒1,𝑒2)=(𝐸𝑒1𝑒2+𝐸𝑒1𝐵𝑏𝑒2)(você𝑒2𝑒1+você𝑒2𝐵𝑏𝑒1)|𝜓(𝑜1,𝑜2)=(𝐸𝑒1𝑒2+𝐸𝑒1𝐵𝑏𝑒2)(𝐸𝑒2𝑒1+𝐸𝑒2𝐵𝑏𝑒1)|𝜓(𝑒1𝑒2)

Temos aqui a oscilação completa dos pares

𝐸𝑒1𝑒2=𝐸𝑒2𝑒1

, e
você𝑒1𝐵𝑏𝑒2=você𝑒2𝐵𝑏𝑒1
porque na primeira transição, e 1 emite e na segunda, ele absorve. Então,

Δ2=(𝐸𝑒1𝑒2+𝐸𝑒1𝐵𝑏𝑒2)(𝐸𝑒1𝑒2𝐸𝑒1𝐵𝑏𝑒2)Δ2=𝐸2𝑒1𝑒2𝐸2𝑒1𝐵𝑏𝑒2
(2)

A equação ( 2 ) é a mesma obtida no BCS 45 e no trabalho de Riera et al. 59 sobre a Teoria da Supercondutividade: uma lei de dispersão quadrática usada por Riera para obter a equação de Buckingham no BCS. O trabalho de Riera introduziu o parâmetro qualitativo 59 .

Assim como o benzeno, as bases de ácido nucleico são todos sistemas aromáticos. No entanto, o arranjo orbital dos elétrons difere daquele do benzeno na presença de átomos de N com
𝑝por
orbitais contendo um par solitário. Um par solitário de elétrons deslocalizados participará da ressonância com a ligação dupla e formará uma ligação estendida
𝜋
-sistema 60 , 61 (Fig.  3 a).

Figura 3
figura 3

O estado quântico oscilatório ressonante das nucleobases A, T, C e G entre pares de elétrons e lacunas. ( A ) O estado não hibridizado em face
𝑝por
orbitais se sobrepõem. Um par solitário de elétrons deslocalizados participará da ressonância com a ligação dupla e formará uma ligação estendida
𝜋
-sistema. ( B ) Estados quânticos ressonantes oscilatórios entre pares de elétrons e lacunas para explicar a aromaticidade nas bases nitrogenadas.

Analisando a correlação pareada para as bases nitrogenadas:

Condição de correlação em pares: 1-Deve haver pares de elétrons e lacunas. 2-A diferença de energia entre os pares de elétrons e lacunas correlacionados é igual à energia vibracional quantizada, 
𝐵𝑏=𝜔
.

𝑂EUNão𝐸:

Hamiltoniano do estado interno do par equivalente à energia de ligação.

Δ

: Energia de ligação do par.

você𝑒𝑥𝑒𝑥

: Energia de interação repulsiva de Coulomb.

você𝑒𝑥𝐵𝑏𝑒𝑥

: Energia de interação no
𝑥
orbital entre os elétrons
(𝑒𝑥)
com giro
12
que emite
𝐵𝑏
para o elétron (
𝑒𝑥)
com giro
12
. Então, o
𝑒𝑥
o elétron perde energia e se move para ocupar o buraco
𝑜𝑒
e se torna
𝑒𝑒
deixando o buraco
𝑜𝑥
(Fig.  3b ).

Então,𝑂EUNão𝐸=você𝑒𝑥𝑒𝑥+você𝑒𝑥𝐵𝑏𝑒𝑥𝑂*EUNão𝐸=você𝑒𝑒𝑒𝑒+você𝑒𝑒𝐵𝑏𝑒𝑒

𝜓𝑥(𝑥)=|𝜓𝑥(𝑥)

: função de onda do par de elétrons em
𝑥
orbital.

𝜓𝑒(𝑒)=|𝜓𝑒(𝑒)

: função de onda do par de buracos em
𝑒
orbital

𝑂EUNão𝐸|𝜓𝑥(𝑥)=(você𝑒𝑥𝑒𝑥+você𝑒𝑥𝐵𝑏𝑒𝑥)|𝜓𝑥(𝑥)=(𝐸𝑒𝑥𝑒𝑥+𝐸𝑒𝑥𝐵𝑏𝑒𝑥)|𝜓𝑒(𝑒)
(3)

Esta seria uma meia oscilação do par. Para recuperar a função de onda inicial
|𝜓𝑥(𝑥)
devemos aplicar
𝑂*EUNão𝐸
novamente para a Eq. ( 3 )

𝑂*EUNão𝐸𝑂EUNão𝐸|𝜓𝑥(𝑥)=(𝐸𝑒𝑥𝑒𝑥+𝐸𝑒𝑥𝐵𝑏𝑒𝑥)(você𝑒𝑒𝑒𝑒+você𝑒𝑒𝐵𝑏𝑒𝑒)|𝜓𝑒(𝑒)=(𝐸𝑒𝑥𝑒𝑥+𝐸𝑒𝑥𝐵𝑏𝑒𝑥)(𝐸𝑒𝑒𝑒𝑒+𝐸𝑒𝑒𝐵𝑏𝑒𝑒)|𝜓𝑥(𝑥), mas

𝑂*EUNão𝐸𝑂EUNão𝐸=Δ2

e
𝐸𝑒𝑥𝑒𝑥=𝐸𝑒𝑒𝑒𝑒
. Como a repulsão de Coulomb não muda, a carga é comutativa. Mas,
𝐸𝑒𝑥𝐵𝑏𝑒𝑥=𝐸𝑒𝑒𝐵𝑏𝑒𝑒
porque o elétron primeiro emite e depois absorve a mesma energia.

Então,

Δ2=(𝐸𝑒𝑥𝑒𝑥+𝐸𝑒𝑥𝐵𝑏𝑒𝑥)(𝐸𝑒𝑒𝑒𝑒+𝐸𝑒𝑒𝐵𝑏𝑒𝑒)=Δ2=(𝐸2𝑒𝑥𝑒𝑥𝐸2𝑒𝑥𝐵𝑏𝑒𝑥)

Esta equação representa a lei de dispersão obtida na Teoria BCS e Riera et al. 45 , 59 .

Pares de bases AT e CG como complexos de coordenação: formação de um único orbital molecular

Um complexo de coordenação compreende um átomo ou íon central chamado centro de coordenação e uma matriz circundante de moléculas ligadas conhecidas como ligantes ou agentes complexantes. A ligação de coordenação é comumente um pouco mais fraca do que uma ligação covalente típica. O átomo central e todos os ligantes constituem a esfera de coordenação. O número de moléculas anexadas é chamado de número de coordenação 62 , 63 , 64 . As nuvens de dois elétrons em uma molécula triatômica simples se estenderão em direções opostas. Os orbitais contendo os vários pares ligantes e não ligantes na camada de valência se estenderão do átomo central em abordagens que minimizam suas repulsões mútuas 65 . Uma separação angular de 180° produziu uma molécula com uma geometria linear 66 .

A Teoria MO (MOT) é um método de determinação da ligação química na qual os elétrons se movem sob a influência dos núcleos de toda a molécula em orbitais deslocalizados 67 . Função de onda MO
(Φ)
é assumido como a combinação linear dos n orbitais atômicos constituintes (
𝑋𝒾
), de acordo com
Φeu=eu=1não𝑐eueu𝑋eu
64 . O
𝑐eueu
coeficientes podem ser determinados numericamente substituindo esta equação na de Schrödinger 68 . Os elétrons são deslocalizados à medida que os elétrons ocupam um orbital que é deslocalizado sobre os dois centros atômicos. Na função de onda MO, os elétrons têm a mesma probabilidade de estar em todos os modos de distribuição disponíveis 1 .

As bases de ácido nucleico têm as propriedades aromáticas características de planaridade e densidade de deslocalização
𝜋
elétrons 69 . Nas purinas, o anel aromático possui dez elétrons deslocalizados
𝜋
elétrons, enquanto nas pirimidinas, existem apenas seis
𝜋
elétrons 25 . Nas junções AT e CG, a interação entre os termos base-base intrínsecos através da ligação H produz uma sobreposição dos
𝜋
-nuvem. Os átomos de H intermoleculares têm uma carga positiva particular devido à força de elétrons atrativa exercida pelos substituintes eletronegativos com N ou Oxigênio (O) 70 . Embora todas as ligações de H nos pares de bases contribuam igualmente para sua aproximação 71 , apenas a ligação central NH–N contribui para o anel aromático.
𝜋
-
𝜋
alinhamento através do
𝑝por
os orbitais se sobrepõem entre o N3 da pirimidina e o N1 da purina correspondente, formando um novo MO:
Φ𝜋UM𝐸
ou
Φ𝜋𝐶𝐺
fisicamente constituído pela combinação linear de
𝜋
-MO de A (
Φ𝜋UM
) e T (
Φ𝜋𝐸
) ou C (
Φ𝜋𝐶
), e G (
Φ𝜋𝐺
), respectivamente. Assim, temos dois estados quânticos coerentes que se tornam um porque os elétrons deslocalizados do
𝜋
as nuvens agora se movem de T para A e de C para G, e vice-versa:

Φ𝜋UM𝐸=eu=1nãoumeu𝜙eu=um1𝜙1+um2𝜙2com 𝜙1=Φ𝜋UM𝜙2=Φ𝜋𝐸
Φ𝜋𝐶𝐺=eu=1nãoumeu𝜙eu=um1𝜙1+um2𝜙2,com 𝜙1=Φ𝜋𝐶𝜙2=Φ𝜋𝐺

com
não=2
.

Empilhamento não covalente exclusivo
𝜋
-
𝜋
efeitos de interação associados a elétrons deslocalizados conferem propriedades únicas ao sistema compósito, como sua baixa reatividade e alta estabilidade.

Fazendo uma analogia com um complexo de coordenação, nos pares de bases AT e CG, a esfera interna coordenada tem um núcleo formado pela ligação central NH–N rodeado pelo novo
𝜋
-MO (
𝜋UM𝐸
ou
𝜋𝐶𝐺
). Os oito pares de elétrons são equivalentes a nuvens de carga negativa que são direcionadas de perto do átomo H central em direção aos cantos do complexo. Ele forma um campo elétrico em um circuito circular fechado. Além disso, como a combinação linear de
𝑝por
orbitais definem o
𝜋
𝜋
interação, o número quântico principal do composto de coordenação AT ou CG é
não=1
72 . O
𝑝por
orbitais se sobrepõem e interações elétron-elétron tendem a levar a geometrias regulares específicas que maximizam repulsões intragrupos de elétrons, sendo o arranjo de pares de elétrons linear para cinco grupos de elétrons e três pares solitários 4 . A organização estrutural de um complexo é geralmente fixa e estável e é determinada pelo arranjo de energia mais baixo possível 73 . Isso é equivalente a dizer que ele adota o arranjo de estresse interno mais inferior.

Pares de bases nitrogenadas: análogo do condensado de Bose-Einstein

O agrupamento de n partículas quânticas no nível de energia mais baixo é chamado de Condensado de Bose-Einstein (BEC) 74 . No estado supercondutor, os elétrons formam pares de Cooper 75 . Os férmions interagem por meio da troca de fônons e podem condensar em um estado quântico coletivo 76 . Além disso, os pares de Cooper são vinculados e têm a mesma energia e fase. Analogamente ao BEC, o condensado quântico de pares de Cooper formando um supercondutor ocorre em uma forma simples ou fragmentada 77 , 78 . Se o número de sítios de rede (n) for um autovalor, o condensado é chamado simples, enquanto é chamado fragmentado se mais de um autovalor for da ordem n 78 .

Além dos pares de Cooper, fenômenos de condensação de diferentes tipos de sistemas bosônicos foram descritos, como átomos ultrafrios 79 , magnons 79 , excitons 80 , 81 e plasmons de superfície 82 , 83 . Algumas condições devem ser atendidas para que o sistema AT ou CG proposto aqui seja um candidato para BEC. A ideia é considerar os átomos como pontos fixos na rede cristalina com carga positiva e representar os elétrons livres como um gás homogêneo em um potencial uniforme 84 . Em um BEC, existe uma oscilação coletiva e coerente de pares de elétrons livres 85 . Os átomos compartilham um estado quântico comum. Todas as partículas compartilham a mesma fase de função de onda, permitindo que atuem como ondas coerentes. Algumas propriedades notáveis ​​incluem padrões de interferência quântica e superfluidez 86 .

Do modelo BEC, a fase em
𝑝por
sobreposição dá os acoplamentos entre os complexos de coordenação AT e CG. Isso resulta em interferência construtiva e produz um novo orbital estendido no plano do par de bases com um comprimento de onda maior e menor energia. Orbitais com energias semelhantes terão as interações mais robustas e formarão um estado de coerência quântica. Os elétrons deslocalizados ocupam o nível de energia mais baixo, formando um estado quântico ressonante oscilatório entre pares de elétrons e lacunas nas bases nitrogenadas. Estudos mostraram que o estado fundamental no DNA é fortemente desestabilizado pela perda de
𝜋
- estabilização de ligação 87 , 88 , 89 .

Para ser um BEC, o momento total com o acoplamento eletrônico entre os componentes moleculares nos pares de bases deve ser reduzido a zero (estado de momento zero P = 0) 86 . Primeiro, o positivo
𝑝𝑝σ
, e negativo
𝑝𝑝𝜋
, a interação entre dois orbitais z atômicos interagentes pode cancelar um ao outro, levando a uma pequena interação de pares atômicos líquidos. Em segundo lugar, alguns bastante grandes, predominantemente
𝑒
e
𝑝
interações de base podem cancelar umas às outras quando somadas para calcular o acoplamento total do par de bases. Em sistemas AT e CG, os anéis são compostos de nove Carbonos e seis N unidos por um átomo de H (se a contribuição significativa para a interação corresponde a bases nitrogenadas, os grupos funcionais não foram incluídos). Cada Carbono tem seis prótons, seis nêutrons e seis elétrons, quatro dos quais são os elétrons de valência do
σ
-ligação. Cada N tem sete prótons, sete nêutrons e sete elétrons, cinco dos quais são de valência. O sistema compreende 56 prótons, 56 nêutrons e 56 elétrons. O átomo de H tem apenas um próton e um elétron. Assim, o sistema condensa porque o número de partículas dá um spin total de zero, como em 4 He 90 (Tabela 1 ).

Tabela 1 Estado de momento zero (P = 0) em condensados ​​de pares de bases AT e CG.

A interação do par não pode quebrar os estados ressonantes em sistemas AT e CG, então a consideramos fraca. Em sistemas bosônicos baseados em férmions, deve-se assumir que a interação fraca permite que o sistema se condense, e todos eles ocupam um único nível de energia. Isso significa que a função de onda do sistema se decompõe em um produto de funções de onda de partícula única idênticas. O estado fundamental é inteiramente descrito por uma função de onda de partícula única
𝜓
91 . Portanto, em compostos aromáticos, o arranjo de uma corrente anular está presente na estrutura eletrônica da função de onda do estado fundamental 92 , 93 .

Bases nitrogenadas A, T, C e G: um estado supercondutor

A diferença fundamental entre a supercondutividade e a condução metálica normal está na presença de pares de elétrons (pares de Cooper) na primeira, enquanto na última, os elétrons se movem independentemente. Os supercondutores formam um grupo particular de materiais com alta condutividade elétrica 94 . O modelo microscópico de supercondutividade elaborado pela Teoria BCS explica como as ondas de elétrons no estado supercondutor não agem independentemente, como no modelo de Bloch 45 . Portanto, existe uma sobreposição considerável entre as funções de onda dos pares de Cooper individuais agindo como uma unidade, resultando em uma forte correlação entre os movimentos dos pares 95 . Quando a superfície de Fermi está dentro de uma única banda de condução, por exemplo, digamos em
não=1
, pode-se argumentar que é justificado "projetar" o hamiltoniano multibanda em um modelo efetivo de banda única. Suponha que a interação entre as bandas seja fraca e, ao mesmo tempo, todas as bandas, exceto a
não=1
estão longe da superfície de Fermi. Como não existem colisões de espalhamento ou inelásticas, a resistência desaparece, e o material se torna supercondutor 96 .

A supercondutividade clássica depende da temperatura e da pressão 96 . O modelo de Drude-Lorentz introduziu a ideia de que a resistência elétrica é devida a colisões de elétrons com impurezas e imperfeições, especialmente com as vibrações da rede do cristal 97 . As vibrações da rede diminuirão com a redução da temperatura porque a entropia, que representa a desordem, também diminui 98 . A resistência de alguns materiais cai repentinamente para zero abaixo de uma temperatura específica, chamada de Temperatura Crítica
(𝐸𝑐)
95 , 99 . Eles se tornam supercondutores, o que significa que podem conduzir correntes sem perda de energia.

Embora a Teoria do pareamento BCS através do mecanismo de interação elétron-fônon seja geralmente considerada como descreva a supercondutividade de supercondutores 'convencionais', tanto do tipo I quanto do tipo II, nos últimos anos, um número crescente de materiais não conseguiu ser explicado por ela 100 Várias observações experimentais apontam para um papel particular da assimetria de carga e da corrente elétrica produzida entre buracos em estados supercondutores 101 , 102 . Nem a Teoria BCS nem as Teorias de London, Ginzburg-Landau e Abrikósov a incluem na fundação da supercondutividade. Desde a descoberta revolucionária do poliacetileno quimicamente dopado possuindo condutividade elétrica,
𝜋
- polímeros conjugados têm sido de grande interesse 103 . Em dopados
𝜋
- polímeros conjugados, um tipo de portador de carga, buracos ou elétrons, predomina 104 . A dopagem reduz a lacuna de banda do nível de energia entre o LUMO e o HOMO com um aumento na condutividade 102 .

Aqui, descrevemos um modelo de supercondutividade que depende do movimento ressonante oscilatório de pares de elétrons e lacunas correlacionados em uma única banda (
𝜋
-MO) sem considerar a temperatura ou pressão como um parâmetro crítico. As nuvens de carga negativa de 16 elétrons e pares de buracos existem nas bases nitrogenadas A, T, C e G com um momento finito P, criando um estado com uma densidade de pares de Cooper modulada espacialmente. Os pares de elétrons se movem para ocupar os pares de buracos ao redor do nível de Fermi na banda de condução, correspondendo ao nosso modelo
𝜋
-Nível de energia MO. Simultaneamente, ocorre o deslocamento de outros pares de elétrons, ocupando os buracos deixados pelo anterior. O campo elétrico é confinado em
𝜋
-
𝑀𝑂𝐸,
 
𝜋
-
𝑀𝑂UM
,
𝜋
-
𝑀𝑂𝐶
, e
𝜋
-
𝑀𝑂𝐺
contendo o estado de onda de densidade de pares de elétrons e buracos. A nuvem de elétrons não pode mais ser defletida ou interagir com outras. Assim, o estado ressonante oscilatório entre os pares de elétrons e buracos gera uma supercorrente de banda única na estrutura que ocorre infinitamente no tempo. A corrente elétrica contínua sem resistência converte A, T, C e G em supercondutores. Chamamos esse estado de supercondutividade estática dos pares oscilando ressonantemente. Um oscilador amortecido com interação ressonante sempre mantém sua energia finita.

A densidade de corrente para
não
encargos
𝑞
movendo-se com velocidade
você
através de uma superfície
𝑒
é:
Eu=EU𝑆
ou
Eu=não𝑞você
com
não
como a concentração de carga.

Se o meio for contínuo como condutor, então
Eu=𝜌𝜐
com
𝜌=
densidade de carga.

Do ponto de vista quântico,
𝜌=|𝜓|2
. A densidade de corrente é
Eu=2eueu(𝜓*𝜓𝜓𝜓*)
onde:
=𝑜2𝜋
.

Para pares correlacionados, a densidade de corrente de um único par é
Eu=(2𝑒)𝜈
, e para o coletivo, é
Eu=não(2𝑒)𝜈
, com
𝜈=eueunão𝑒um𝑟você𝑒eu𝑜𝑐eupara𝑒
. Ele precisa de um campo magnético e um elétrico. No DNA, os pares são confinados em um único orbital molecular viajando em um caminho circular através de toda a molécula. Assim,
você=𝑟𝑐
onde
𝑟
é o raio de
𝜋
-MO e
𝑐
é a velocidade angular dos pares.

Finalmente,
Eu=não(2𝑒)𝑟𝑐=𝜌𝑟𝑐
, com
Eu=𝜌𝜐
e
𝜌=|𝜓|2
, a corrente de pares seria
EU=eu𝒹𝑆
.

AT e CG: Efeito Josephson entre dois supercondutores

A Junção Josephson é uma das bases da comunicação quântica e da computação quântica. Ela se refere a qualquer material isolante imprensado entre dois supercondutores 105 . Uma corrente elétrica manifesta o Efeito Josephson devido ao Efeito Túnel entre dois supercondutores separados por um isolante fino sem tensão de polarização externa 106 . A superposição das funções de onda dos supercondutores faz com que a corrente através da Junção Josephson dependa sinusoidalmente da diferença de fase 74 . Uma escala atômica 0−
𝜋
a transição em uma junção Josephson foi descrita 107 , 108 .

A ligação H aumenta a estabilidade química, a geometria e a reatividade da esfera de coordenação dentro de alguns compostos moleculares 73 , 109 . Quando os sistemas compostos AT ou CG entram no regime Josephson, espera-se que o elo fraco atue como um elemento indutivo não linear porque a corrente Josephson, uma função não linear da fase quântica, fornece a corrente através dele. Os elétrons deslocalizados estão se movendo juntos em um movimento coletivo como um gás de elétrons livres confinados em
𝜋
-
𝑀𝑂UM𝐸
ou
𝜋
-
𝑀𝑂𝐶𝐺
em torno do NH–N central. A condição definida por Cooper é estabelecida: um elétron desloca ligeiramente um núcleo atômico H parcialmente carregado positivamente em direção a si mesmo ao passar devido à atração de Coulomb. O elétron número dois "vê" uma região com uma densidade de carga positiva maior em relação ao entorno e, portanto, é atraído para essa região e, portanto, indiretamente para o elétron um 110 . Devido ao princípio de exclusão, os dois elétrons em um par Cooper devem ter spin oposto, como é verdade em nosso modelo.

Na junção AT, o N3 de T tem um par solitário de elétrons que faz parte de seu
𝜋
nuvem. Em A, o N1 dá um elétron ao seu
𝜋
nuvem e usa o par solitário para atrair o H ligado ao N3 de T. Este sistema forma a junção AT Josephson que permite a correlação de elétrons do
𝜋
-
𝑀𝑂𝐸
com elétrons do
𝜋
-
𝑀𝑂UM
por um efeito ressonante. Similarmente, em CG, o N3 em C usa seu par solitário de elétrons para formar uma ligação H com o N1 de G. Este sistema forma a Junção Josephson CG. Usando a estrutura típica X − H···Y, onde X é o átomo doador, e Y é o aceitador, a distância X − H foi calculada em ≈110 pm, enquanto a distância H···Y está entre 160 e 200
PM
111 . O comprimento de coerência (comprimento de coerência,
𝜉
) em uma junção Josephson típica é de cerca de 10 μm 94 .

A corrente através da junção Josephson em dois supercondutores BEC, AT ou CG, com gap
Δ
e fases
UM
,
𝐸
ou
𝐶
,
𝐺
:

Usando a equação em Sukhatme et al. 90  .

EU(𝜙)=EUeupecadoUM𝐸𝑜𝑟𝐶𝐺,

onde
UM𝐸=UM𝐸
ou
𝐶𝐺=𝐶𝐺

UM𝐸𝑜𝑟𝐶𝐺

é a diferença de fase quântica através da junção. De acordo com Levy et al. 74  , a diferença de fase evolui:

=Δum

A lacuna
Δ
é a energia de ligação dos novos pares de elétrons que cruzam a junção.

EUeu

: é a corrente crítica de junção e é representada por:

EUeu𝑅Não=𝜋Δ2𝑒paraumvocê𝑔𝑜(Δ/2𝐸𝐵𝐸)

onde
𝑅Não
é a resistência do estado normal da junção.

EUeu𝑅Não=𝑉

: pela Lei de Ohm é a diferença de potencial da junção.

𝐸𝐵𝐸=Pq

: a energia térmica da junção.

2𝑒

: carga do par de elétrons correlacionado.

Anteriormente, analisamos a formação de pares de elétrons e buracos correlacionados em A, T, C e G. Agora, analisaremos o Efeito Josephson em complexos de coordenação AT e CG. A formação de pares deve sempre atender a duas condições: 1-Deve haver elétrons e buracos nos orbitais que interagem, e 2-A diferença de energia dos elétrons deve ser igual às vibrações quantizadas da rede molecular. Os elétrons têm momento oposto
±𝐸
.
𝑒3
com o impulso
𝑃+𝐸
emite um
𝐵𝑏=𝜔
um
𝑒2
, perdendo o ímpeto
𝐸
e ocupando a posição de
𝑜1
com impulso
𝑃
. Então,
𝑒1,
através do Efeito Túnel, passa pela barreira (NH–N) até a posição de
𝑒3
, onde agora há um buraco.
𝑒1
conservou sua energia e o valor do momento
(𝑃+𝐸)
, apenas mudou sua direção para
𝑃+𝐸
(Fig.  4 ).

Figura 4
figura 4

Efeito Josephson em complexos de coordenação AT e CG. ( A ) A ligação H central (NH–N), conectando duas bases nitrogenadas canônicas, constitui a junção Josephson. ( B ) Efeito Túnel:
𝑒1
atravessa a junção sem perder energia e com o mesmo momento, mas com o sinal oposto. ( C ) Estados quânticos ressonantes oscilatórios entre pares de elétrons e lacunas em N 1 e N 3 em face
𝑝por
orbitais.

Em contraste com as nucleobases individuais, em AT e CG, a força atrativa é
𝐵𝑏=𝜔
, onde
𝜔
é a frequência da ligação H assistida por ressonância (RAHB). É um tipo de ligação H forte 112 , 113 caracterizado pela
𝜋
-deslocalização que envolve H e não pode ser descrita adequadamente apenas pelo modelo eletrostático 114 . Gilli e colaboradores propuseram pela primeira vez que duas extremidades de um
𝜋
-sistema conjugado foram associados por uma interação de ligação H intramolecular, o que encurta a distância entre eles 115 . Tais sistemas amplificaram a cooperação entre a deslocalização do elétron π e a ligação H.

Complexos de coordenação AT e CG: propriedades magnéticas

As propriedades magnéticas geralmente dependem do número de elétrons desemparelhados do complexo 116 . Se um ou mais elétrons desemparelhados existirem, o complexo é paramagnético e atrai campos magnéticos proporcionais ao número de elétrons desemparelhados. Sem elétrons desemparelhados, o composto será diamagnético e ligeiramente repelido por campos magnéticos 117 . Além de resistência elétrica zero, os supercondutores também têm diamagnetismo perfeito. Em um sistema mecânico quântico, os elétrons fluirão ao redor do perímetro do anel na direção necessária somente se todas as situações iônicas necessárias puderem se misturar e mediar um fluxo contínuo que gere a corrente do anel diamagnético 118 . A direção da corrente gera um campo magnético que se opõe ao campo externo dentro do anel. Assim, espera-se que espécies aromáticas, como o benzeno, tenham efeitos diamagnéticos robustos, uma vez que todas as estruturas iônicas possíveis auxiliam o fluxo de elétrons 54 , 119 .

Em uma base nitrogenada:

Existe uma corrente que vai de N1 a N9, caracterizada pelo vetor densidade de corrente
EuUM
, e com um campo magnético
𝐵UM
caracterizado pela equação de Ampère:

×𝐵UM=4𝜋𝐶EuUM,

onde c é a velocidade da luz.

Em T base nitrogenada:

Existe uma corrente que vai do N1 ao Carbono seis, caracterizada pelo vetor densidade de corrente
Eu𝐸
, e com um campo magnético
𝐵𝐸
caracterizado pela equação de Ampère:

×𝐵𝐸=4𝜋𝐶Eu𝐸

Ambas as correntes
EUUM=EuUM.𝑒𝑒
e
EU𝐸=Eu𝐸.𝑒𝑒
tem a mesma direção e sentido. Então, o campo magnético
𝐵UM
exerce uma força magnética atrativa no condutor com corrente
EU𝐸
, e vice-versa, resultando em uma força atrativa entre as bases nitrogenadas; caso contrário, as bases A e T não se ligam ou se atraem para formar um complexo de coordenação (Fig.  5 ).

Figura 5
figura 5

Campo magnético em complexos de coordenação AT e GC. Um fluxo contínuo que gera a corrente do anel diamagnético, uma vez que todas as estruturas iônicas possíveis auxiliam o fluxo de elétrons. A corrente I G (I A ) gera um campo magnético no condutor com corrente I C (I T ), representada por cruzamentos que são linhas de forças de campo entrando no plano e produzindo a força F CG (F TA ) no condutor I C (I T ) . Por outro lado, o condutor com corrente I C (I T ) cria um campo magnético representado por bolas, o que significa que as linhas de forças saem do plano, criando a força F GC (F AT ) no condutor com corrente I G (I A ).

𝐵UM

e
𝐵𝐸
têm valores diferentes, mas a mesma direção, produzindo um campo magnético na junção
𝐵UM𝐸=
 
𝐵UM+𝐵𝐸

O mesmo ocorre no complexo de coordenação CG.

As exaltações da suscetibilidade magnética estão intimamente associadas à aromaticidade 120 . Em AT e CG, os efeitos magnéticos estão relacionados à propriedade intrínseca do
𝜋
 sistema para sustentar uma circular
𝜋
 fluxo devido à presença de pares de elétrons e buracos correlacionados oscilantes em estados quânticos ressonantes. Parentescos esféricos foram calculados com base nos autovetores de Huckel 121 . A contribuição da corrente do anel para a suscetibilidade magnética total de um sistema cíclico é proporcional ao produto do quadrado da área do anel e das energias de estabilização aromática 120 .

Simetrias do código de DNA e criptografia informacional quântica

O DNA contém apenas dois pares de bases essenciais de Watson–Crick, mas há dez etapas de pares de bases independentes (dois pares de bases consecutivos ao longo da dupla hélice). A complementaridade do par de bases fita dupla tem um componente geométrico e um eletrônico. Os complexos fortes ligados por H são possíveis devido à estabilidade do componente eletrônico dentro da configuração geométrica da molécula 114 . Por exemplo, a autodimerização de AA, UU e AU é possível por duas ligações de H, mas o dímero de AU é mais estável com uma constante de associação mais alta 122 . As sequências teloméricas humanas têm uma estrutura G-quadruplex intramolecular do tipo híbrido devido à separação de carga que acompanha as interações orbitais doador-aceitador e não do fortalecimento causado pela ressonância no
𝜋
 sistema de elétrons. Na intrigante cooperatividade dos G-quadruplexes de DNA, o
𝜋
a deslocalização fornece apenas uma estabilização extra para as ligações H 123 .

Se examinarmos A, T, C e G individualmente, eles são morfológica e quimicamente diferentes. No entanto, se examinarmos AT e CG em sua conexão mútua, a fonte do automovimento que caracteriza um único estado quântico é descoberta. Embora os complexos de coordenação AT e CG sejam estruturalmente diferentes, eles são sistemas funcionalmente semelhantes (Fig.  6 ). Qualquer estado bipartido pode ser expresso em um estado puro 11 , 124. Para o Estado Um, atribuiremos aos subsistemas A e T subestados para AT e subsistemas C e G subestados para o estado puro CG, respectivamente. As associações AT e CG são altamente específicas, enquanto todos os outros pares de nucleotídeos são aditivos em suas interações. O Sistema Dois compreenderá a afinidade não seletiva entre os monoméricos e heteroderivados A, T, C e G (subsistemas AA, C–C, GG, TT, AC, AG, TC e TG). O Sistema Dois representa os estados degenerados. Na mecânica quântica, a degeneração ocorre quando o mesmo nível de energia tem mais de um estado associado 125 . Para o operador hamiltoniano H 0, duas das autoenergias têm o mesmo valor, ou seja, há duas autofunções diferentes cujos autovalores são os mesmos 11 , 126 , 127 .

Figura 6
figura 6

Simetrias de pares de bases canônicas de DNA criptografia informacional quântica. ( A ) Estrutura química das bases nitrogenadas, pirimidinas e purinas. ( B ) AT e CG, em sua conexão mútua, têm o mesmo estado quântico funcional, embora retenham diferentes estruturas e morfologias.

Para um sistema de dois qubits, há duas classes de equivalência: os estados separáveis ​​e os estados emaranhados. Com base nas informações acima, estabelecemos os estados emaranhados
|𝜓𝑋
(
|𝜓
Em e
|𝜓
CG) estados fundamentais do sistema quântico no código genético. O estado fundamental do sistema quântico representa seu estado de energia mais baixo possível, conhecido como energia do ponto zero do sistema. Na mecânica quântica,
𝐸=𝒽𝜔2
está associado ao estado fundamental do oscilador harmônico quântico
𝐸=𝜔(não+1/2)
com
não=0
. Mais precisamente, a energia do ponto zero é o valor esperado do Hamiltoniano do sistema. Os subsistemas AA, CC, GG, TT, AC, AG, TC e TG constituirão os estados degenerativos
|𝜓UMUM,|𝜓𝐶𝐶,|𝜓𝐺𝐺,|𝜓𝐸𝐸,|𝜓UM𝐶,|𝜓UM𝐺,|𝜓𝐸𝐶
, e
|𝜓𝐸𝐺
, respectivamente. Eles serão representados por
|𝜓𝐸
.

Como mencionamos, a informação clássica pode ser convertida inteiramente em informação quântica, basta classificá-la em estados ortogonais. Por exemplo, no caso dos qubits, basta associar o estado
|0
, e
|1
, com seus respectivos bits 0 e 1. Em AT e CG, contribuições semelhantes de ligação de hidrogênio foram determinadas 71 . Além disso, as frequências angulares eletrônicas de AT foram calculadas em 3,062, 2,822 e 4,24 em unidades de
1015
radianos por segundo para
𝜔𝑥𝑥,
 
𝜔𝑒𝑒
, e
𝜔porpor,
respectivamente. No GC, resultados semelhantes foram encontrados: 3,027, 2,722 e 4,244 em unidades de
1015
radianos por segundo para
𝜔𝑥𝑥
,
𝜔𝑒𝑒
, e
𝜔porpor
126 . Em ambos os conjuntos de pares de bases, o mesmo estado quântico funcional, embora mantendo diferentes estruturas e morfologias, foi demonstrado neste trabalho. (Fig.  6 )

Se |𝜓UM𝐸=|𝜓𝐶𝐺=|𝜓𝑋, então |0[UM𝐸]=|0[𝐶𝐺]=|0[𝑋], e
|𝜓UMUM=|𝜓𝐶𝐶=|𝜓𝐺𝐺=|𝜓𝐸𝐸=|𝜓UM𝐶=|𝜓UM𝐺=|𝜓𝐸𝐶=|𝜓𝐸𝐺=|𝜓𝐸=|1[𝐸]

Estados separáveis ​​podem ser obtidos deterministicamente de qualquer outro estado: devemos preparar cada qubit no estado que corresponde a ele 128 . Por outro lado, um estado interligado só pode ser obtido de outro estado vinculado. Estados maximamente emaranhados são significativos porque podem ser obtidos de qualquer outro estado de dois qubits deterministicamente 126 . Os Estados de Bell, ou pares Einstein–Podolsky–Rosen (EPR) em homenagem ao paradoxo EPR, formam um banco de dados de estados maximamente emaranhados 128 . Uma pergunta natural que vem à mente é que, além dos dois pares existentes de estados emaranhados de bases, como a informação genética dos códons conhece o estado quântico dos pares de bases?

DNA: codificação superdensa para teletransporte perfeito

Os genes codificadores de proteínas são compostos de unidades trinucleotídicas chamadas códons. Existem 64 códons diferentes no código genético. Três sequências, UAG, UGA e UAA, são conhecidas como códons de parada, e a sequência AUG, lida como metionina, serve como códon de início. A leitura dos códons de DNA ocorre na fita de DNA sentido e são organizados em uma direção de 5′ para 3′. Cada três nucleotídeos consecutivos (os tripletos são organizados linearmente e continuamente) atuam como uma combinação de tripletos que codifica um aminoácido. Agora precisamos traduzir os tripletos de nucleotídeos no aminoácido correspondente usando o
|0[01]
e
|1[10]
código qubits e mecânica quântica.

O teletransporte quântico é um excelente exemplo de uma tarefa de processamento de informações quânticas onde um estado desconhecido pode ser perfeitamente transportado de um lugar para outro usando emaranhamento compartilhado anteriormente e comunicação clássica 17 , 18 . Um estado emaranhado multipartículas para teletransporte quântico, como no caso de três qubits, é possível 129 , 130 . Além disso, estados emaranhados aumentam a capacidade de informação clássica 131 . Na codificação superdensa, podemos enviar a informação de dois bits clássicos armazenados em um qubit entre duas posições distantes e através de um canal quântico se eles compartilharem um par EPR 132 , 133 , 134 . Mais geralmente, se duas posições compartilham um estado maximamente emaranhado no espaço de Hilbert bidimensional 9 , enviar um qubit pode comunicar dois bits clássicos log 2 d. Assim, um estado maximamente emaranhado dobra a capacidade de informação clássica de um canal se ele pertencer a um dos estados de base de Bell 135 .

Suponha que durante a transcrição, a RNA polimerase teletransporte a informação quântica dos códons usando a combinação dos pares de bases emaranhados ao máximo AT e CG. A transcrição começa quando a RNA polimerase se liga a uma sequência promotora perto do início de uma geração 136 . A região do DNA aberto é chamada de bolha de transcrição 137 . Os pares de bases serão separados por uma distância suficiente para que não haja influência entre os dois sistemas. A transcrição usa uma das duas fitas de DNA expostas como molde 136 . Como AT e CG são estados emaranhados ao máximo, eles mantêm o mesmo estado quântico mesmo quando os pares são separados. Temos quatro combinações possíveis: AT, TA, GC e CG.

|0[UM𝐸]=|0[𝐸UM]=|0[𝑋], e |1[𝐺𝐶]=|1[𝐶𝐺]=|1[𝐸]

Então, a RNA polimerase contata apenas um elemento do par (informação clássica) na fita molde. Assim, também devemos codificar cada base nitrogenada. Considerando o número de anéis aromáticos, podemos atribuir:

Purinas =|0,Pirimidinas=|1, então
|𝜓UM=|𝜓𝐺=|0, e |𝜓𝐸=|𝜓𝐶=|1, então
|0[𝑋]=|0[01] ou |0[10], e |1[𝐸]=|1[01] ou|1[10]

Combinando o estado quântico do sistema composto com informações clássicas, a RNA polimerase teletransporta um dos quatro estados de Bell:

|𝜓UM𝐸=00,|𝜓𝐸UM=01,|𝜓𝐶𝐺=11,|𝜓𝐺𝐶=10

O estado do sistema composto AT ou CG é definido a partir de seus autoestados da seguinte forma:
|𝜓=eu|𝜓eu
, onde
|𝜓eu
representa os diferentes autoestados do sistema AT ou CG, e esses autoestados são:
|𝜓eu=𝒾,𝒿𝐶𝒾𝒿|eu|𝒿
. O operador de densidade
𝜌=|𝜓𝜓|
pode ser representado como:

𝜌UM𝐸(𝜌𝐶𝐺)=eu,eu𝒾,𝒿,𝐶𝒾,𝒿,

, onde o subsistema A ou C é
|𝒾𝒾,|
e o subsistema C ou G é
|𝒿𝒿,|
.

Um vetor bidimensional pode ser criado adicionando múltiplos dos vetores (1,0) e (0,1):
[𝑥𝑒]=𝑥[10]+𝑒[01]
. Os vetores base mais adequados são ortogonais, válidos para (1,0) e (0,1). Dois vetores são ortogonais se seu produto escalar for zero, o que significa que eles estão em ângulos de 90 138 , 139 . Similarmente, duas funções são ortogonais se seu produto escalar for zero 138 , 140 .

Versão mais simples do protocolo de teletransporte

Propomos o seguinte protocolo simples de teletransporte para simular um computador quântico baseado nos qubits de DNA estabelecidos neste trabalho (o protocolo é modificado de 141 ). Temos dois sistemas: o primeiro compreende dois spins ½ de A e T ou dois spins ½ de C e G, preparados em um estado puro conhecido
|𝜓
. Também temos o sistema U formado por um spin ½ em um estado puro desconhecido
|𝜓
. Este sistema U seria a informação que queremos teleportar para o RNA mensageiro (mRNA) para “fabricar” o aminoácido correspondente. Os sistemas A e T ou C e G não podem interagir diretamente após o estado ser preparado, pois estão muito distantes (A e T ou C e G estarão espacialmente separados quando a bolha de transcrição for formada).

Suponha que o estado
|𝜓𝑋=
 
|UM𝐸
,
|𝐶𝐺
,
|𝐸UM
, ou
|𝐺𝐶
(dependendo da informação clássica) é:

|𝜓𝑋=|𝑒eunão𝑔eu𝑒para=|UM|𝐸|UM|𝐸2 para AE,|𝜓𝑋=|𝑒eunão𝑔eu𝑒para=|𝐶|𝐺|𝐶|𝐺2 para CG,
|𝜓𝑋=|𝑒eunão𝑔eu𝑒para=|𝐸|UM|𝐸|UM2 para TUM, ou |𝜓𝑋=|𝑒eunão𝑔eu𝑒para=|𝐺|𝐶|𝐺|𝐶2 para GC

onde
|S|S
é o autoestado do operador
𝑆𝑍
no sistema
𝑆
(para
S=UM,𝐸,𝐶,𝑜𝑟𝐺)
com projeção positiva e negativa. Este estado é um autoestado do operador de spin total do sistema
Eu2=(UM+𝐸)2,
com autovalor 0, ou seja, o estado singleto do sistema. O estado do sistema
você
é representado na forma
|você=um|+𝛽|
, onde
um
e
𝛽
são dois coeficientes desconhecidos que satisfazem:
um*um+𝛽*𝛽=1
. Assim, o estado inicial do sistema (
|𝜓𝑋eu
) é:

|𝜓𝑋eu=um|UM|𝐸|você|UM|𝐸|você2+𝛽|UM|𝐸|você|UM|𝐸|você2para AE,
|𝜓𝑋eu=um|𝐶|𝐺|você|𝐶|𝐺|você2+𝛽|𝐶|𝐺|você|𝐶|𝐺|você2 para CG,
|𝜓𝑋eu=um|𝐸|UM|você|𝐸|UM|você2+𝛽|𝐸|UM|você|𝐸|UM|você2para TUM, e
|𝜓𝑋eu=um|𝐺|𝐶|você|𝐺|𝐶|você2+𝛽|𝐺|𝐶|você|𝐺|𝐶|você2para GC.

A interação de endonucleases de restrição do tipo II com sequências específicas de DNA, causando mudanças de efeitos quânticos que resultam na quebra da fita dupla, foi descrita 126 . Aqui, sugerimos que a RNA polimerase, agindo como um escudo de decoerência após ligação específica, cria subespaços livres de decoerência para emaranhamento quântico. Após a ligação específica da RNA polimerase, o hamiltoniano do sistema é alterado por um certo tempo t 1  = 
𝜋𝜐
. Para o par de bases AT, há uma interação entre spins em
𝐸
e
você
com o hamiltoniano:
𝑂𝐸você=𝑏(𝑆𝑥(𝐸)𝑆𝑍(você)+𝜐𝑜𝑆𝑥(𝐸)𝑆por(você))
. Onde
𝑏
é um campo magnético de magnitude
𝜐2
aplicado na direção do
𝑋(𝑍)
eixo no giro
𝐸(você).

Então, um mecanismo biológico agindo como uma porta CNot é provavelmente aplicado. O operador
𝐸=𝑒𝑥𝑝(eupara1𝑂𝐸você/)=eu1/2𝐸𝐶Não𝑜para
tem o efeito de multiplicar o estado por uma fase global irrelevante
eu1/2
, invertendo a orientação do spin em
𝐸
se o giro
você
é
()
e deixá-lo em sua orientação original se o giro
você
é
()
.

Para os pares TA, GC e CG o Hamiltoniano será:
𝑂UMvocê=𝑏(𝑆𝑥(UM)𝑆𝑍você+𝜐𝑜𝑆𝑥UM𝑆porvocê)
,
𝑂𝐶você=𝑏(𝑆𝑥(𝐶)𝑆𝑍(você)+𝜐𝑜𝑆𝑥(𝐶)𝑆por(você))
, e
𝑂𝐺você=𝑏(𝑆𝑥(𝐺)𝑆𝑍(você)+𝜐𝑜𝑆𝑥(𝐺)𝑆por(você))
, respectivamente. O operador de evolução será para TA, GC e CG:
𝐸=𝑒𝑥𝑝(eupara1𝑂UMvocê/)=eu1/2𝐸𝐶Não𝑜para
,
𝐸=𝑒𝑥𝑝(eupara1𝑂𝐶você/)=eu1/2𝐸𝐶Não𝑜para
, e
𝐸=𝑒𝑥𝑝(eupara1𝑂𝐺você/)=eu1/2𝐸𝐶Não𝑜para
, respectivamente.

Após a aplicação desta operação, o status do sistema será:

|𝜓1=você𝐶Não𝑜para|𝜓eu=um|UM|𝐸|você|UM|𝐸|você2+𝛽|UM|𝐸|você|UM|𝐸|você2 para AE
|𝜓1=você𝐶Não𝑜para|𝜓eu=um|𝐶|𝐺|você|𝐶|𝐺|você2+𝛽|𝐶|𝐺|você|𝐶|𝐺|você2 para CG
|𝜓1=você𝐶Não𝑜para|𝜓eu=um|𝐸|UM|você|𝐸|UM|você2+𝛽|𝐸|UM|você|𝐸|UM|você2 para TUM
|𝜓1=você𝐶Não𝑜para|𝜓eu=um|𝐺|𝐶|você|𝐺|𝐶|você2+𝛽|𝐺|𝐶|você|𝐺|𝐶|você2 para GC

Então, um campo magnético de intensidade
𝑏
atua em U na direção
(1,0,1)/2
, por um tempo
𝐸𝑂=2𝜋/𝑏
:

𝐸𝑂=euexperiência(eupara𝑂𝑏(𝑆𝑥(você)+𝑆por(você))/2/=(1/2)(𝑆𝑥(você)+𝑆por(você))

. Ela produzirá a transformação unitária local. Aplicando esta operação a
|𝜓1
:

|𝜓2=𝐸𝑂|𝜓2=um|UM|𝐸|você|UM|𝐸|você+|UM|𝐸|você|UM|𝐸|você2+𝛽|UM|𝐸|você+|UM|𝐸|você+|UM|𝐸|você|UM|𝐸|você2=12[(um|+𝛽|)UM|𝐸|você(um|𝛽|)UM|𝐸|você+um|𝛽|)UM|𝐸|você(um|+𝛽|)UM|𝐸|você]para AE,
=um|𝐶|𝐺|você|𝐶|𝐺|você+|𝐶|𝐺|você|𝐶|𝐺|você2+𝛽|𝐶|𝐺|você+|𝐶|𝐺|você+|𝐶|𝐺|você|𝐶|𝐺|você2
=12[(um|+𝛽|)𝐶|𝐺|você(um|𝛽|)𝐶|𝐺|você+um|𝛽|)𝐶|𝐺|você(um|+𝛽|)𝐶|𝐺|você] para CG,
=um|𝐸|UM|você|𝐸|UM|você+|𝐸|UM|você|𝐸|UM|você2+𝛽|𝐸|UM|você+|𝐸|UM|você+|𝐸|UM|você|𝐸|UM|você2
=12[(um|+𝛽|)𝐸|UM|você(um|𝛽|)𝐸|UM|você+um|𝛽|)𝐸|UM|você(um|+𝛽|)𝐸|UM|você]para TUM, e
=um|𝐺|𝐶|você|𝐺|𝐶|você+|𝐺|𝐶|você|𝐺|𝐶|você2+𝛽|𝐺|𝐶|você+|𝐺|𝐶|você+|𝐺|𝐶|você|𝐺|𝐶|você2
=12[(um|+𝛽|)𝐺|𝐶|você(um|𝛽|)𝐺|𝐶|você+um|𝛽|)𝐺|𝐶|você(um|+𝛽|)𝐺|𝐶|você]para GC.

Agora, se
𝑆𝑍
é medido em T (A ou C ou G) e resulta que
𝐸
(
) (Um
()
, ou C
()
ou G
()
), então,
𝜋
a rotação é realizada em torno do eixo X do sistema complementar A (T ou G ou C). Se
𝑆𝑍
é medido em T (A ou C ou G), mas o resultado é
𝐸
(
) (Um
()
ou C
()
ou G
()
), então,
𝜋
a rotação é realizada em torno do eixo Z do sistema complementar A (T ou G ou C). O estado final do sistema
UM+𝐸+você
, ou
𝐸+UM+você
, ou
𝐶+𝐺+você
, ou
𝐺+𝐶+você
será um estado de produto, no qual o sistema está agora no estado inicial
você
estado. Se quiséssemos teletransportar o estado de um segundo sistema
|você*
, precisamos de um novo par de spin (AT, TA, GC ou CG).

Discussão

A quantidade de dados de DNA cresce exponencialmente a cada ano. A tecnologia disponível não consegue lidar com esse volume, necessitando do desenvolvimento de aceleradores de computadores quânticos nessa área. Portanto, é um tópico de grande interesse para a ciência ser capaz de encontrar sistemas quânticos de dois estados capazes de funcionar como um qubit. Qualquer sistema quântico está em um estado de equilíbrio térmico e está relacionado ao Hamiltoniano do sistema quando as interações com o ambiente são suficientemente fracas. Eles devem ser estáveis ​​contra pequenas perturbações do exterior. O estado de equilíbrio do sistema será aquele que maximiza a entropia. O estado fundamental é essencial, pois contém muitas características qualitativas de sistemas em baixas temperaturas, sendo mais facilmente tratável matematicamente e computacionalmente.

Um dos principais problemas é que a descrição teórica do DNA é desafiada por sua natureza multiescala intrínseca. Neste trabalho, para reproduzir as propriedades do DNA, descrevemos um modelo de aromaticidade nas bases nitrogenadas com base na formação de elétrons correlacionados e pares de buracos. As moléculas têm maiores graus de liberdade, mas no DNA, acredita-se que a alta tensão mecânica associada à superhelicidade limita a resposta elástica do DNA à distorção 142 . Considerando o ambiente único da rede cristalina molecular, propomos que o elétron use a energia da vibração molecular quantizada para criar um estado quântico ressonante oscilatório entre pares de elétrons e buracos. De acordo com a Teoria Eletromagnética, dois elétrons sempre se repelirão, mas devem ser atraídos entre eles em uma influência de campo interno ou externo. Aqui, o campo interno é representado por
𝐵𝑏=𝜔
, onde
𝜔
é a frequência da vibração da base nitrogenada individual ou RAHB nos pares de bases canônicas. A relação direta entre a energia de interação e a deslocalização apoia a importância do RAHB e
𝜋
 sistemas 113 , 143 . Teoricamente, a força da ligação H pode ser avaliada usando o índice de interações não covalentes (índice NCI), que permite a visualização desses NCIs usando a densidade eletrônica do sistema 144 .

O par de bases AT tem duas ligações H tradicionais e uma interação fraca Carbono-H–O 145 . A cooperatividade da ligação H foi extensivamente estudada em vários compostos, incluindo DNA 23 . Asensio e colaboradores avaliaram a diferença entre a soma das energias individuais das ligações H e a interação total dos pares de bases em suas geometrias coplanares regulares como a parte cooperativa das interações de ligação H 71 . Em AT, a soma das magnitudes das energias de interação para as ligações H individuais foram 3,57 e 3,95 kcal/mol (cálculos de segunda ordem de MøllerPlesset (MP2) ab initio MO e Teoria do Funcional da Densidade (DFT)) menores que a energia de interação do par de bases planas. A contribuição cooperativa para a interação da ligação H foi de 31% da interação total para cada método orbital molecular. A análise energética para o par de bases GC mostrou que as contribuições cooperativas para os três sistemas de ligação H (3,05 e 4,32 kcal/mol) foram de magnitude semelhante àquela para os dois sistemas de ligação H AT 71 . Essa fração semelhante de cooperatividade aparece devido às geometrias ótimas para cada ligação H dentro das duas moléculas rígidas. Isso é relevante porque as diferenças entre os qubits AT e CG são estabelecidas em alguns trabalhos com base exclusivamente no número de ligações H 139 .

Como o acoplamento elétron-vibração é fraco, uma interação adicional é necessária para quebrar os estados ressonantes quânticos. Então, uma corrente estática de pares de elétrons e buracos correlacionados que é indefinida no tempo é gerada ao redor do perímetro do anel. O acoplamento elétron-vibracional e as estruturas vibracionais ricas foram descritas anteriormente 146 , 147 , 148 . Por exemplo, considerando vibrações intramoleculares do piceno -3 , a força do acoplamento elétron-fônon no piceno K 3 foi calculada 149 . Alguns estudos concluíram que
𝜋
 elétrons, a medida mais crítica de aromaticidade, diminuem acentuadamente com o aumento do tamanho do anel e desaparecem para sistemas com um diâmetro de cerca de 1,3 nm 118 , 120 . Isso pode ocorrer porque a interação de vibração diminui com o tamanho. Além disso, em monômeros de DNA naturais, a transferência ultrarrápida e eficiente da energia eletrônica do estado excitado para energia vibracional no estado fundamental foi demonstrada 142 , 150 . Além disso, o estado fundamental é fortemente desestabilizado pela perda de aromaticidade 87 , 88 , 89 .

BEC é um fenômeno no qual frações macroscópicas de n partículas se acumulam no mesmo estado de partícula única. Em contraste com um condensado regular, um condensado fragmentado é fortemente emaranhado, o que leva a uma ocupação macroscópica simultânea de vários estados de partícula única 78 . Aqui, propomos uma situação na qual a fragmentação surge da interação entre interações de pares de elétrons e buracos em estados ressonantes quânticos oscilatórios. Os sistemas AT e CG são montagens de spin-0, nos quais um
𝜋
ligação congelou os graus de liberdade dos elétrons. Um estado altamente emaranhado é construído pela montagem de bósons por pares de spin-zero. Todos os átomos compartilham a mesma função de onda espacial, e apenas o estado de spin de cada átomo é relevante 151 . O spin coletivo também é zero.

Não há colisões porque o RAHB é convertido na energia de troca entre os elétrons correlacionais do par e buracos nos estados ressonantes quânticos oscilatórios. A energia cinética dos átomos desempenha um papel insignificante porque a taxa de colisão é pequena em relação ao BCE, e não há alargamento devido a variações espaciais ou temporais do campo magnético. Assim, os sistemas AT e CG funcionam como um supercondutor. Neste caso, o complexo de coordenação pode constituir um condensado supercondutor consistindo de dois componentes atômicos e moleculares conectados através do acoplamento Josephson intercomponente. Vários supercondutores são caracterizados pelo pareamento de spin-up e spin-down dos elétrons que constituem o fluxo supercondutor 92 . A fase de pareamento de spin entre dois supercondutores de interação fraca com configurações de spin de par de Cooper
|
, e
|
, fazem o sistema AT e CG como um casal com dois níveis de energia. Ou seja, eles se comportam como um bit quântico. Esses qubits são robustos à decoerência e funcionam como memórias quânticas protegidas topologicamente. Qubits supercondutores são uma tecnologia promissora para a chamada computação quântica topológica 7 , 12 , 15 .

London descreveu pela primeira vez a relação entre aromaticidade e supercondutividade em 1937 152 . Estudos demonstraram a supercondutividade e seu aumento em hidrocarbonetos aromáticos policíclicos 92 , 93 . Nas últimas décadas, tem sido quase geralmente aceito que a aromaticidade está associada às propriedades do estado fundamental de compostos cíclicos
𝜋
 compostos de elétrons e um
𝜋
 a corrente do anel de elétrons é induzida quando o sistema é exposto a campos magnéticos externos 93 . No entanto, outros autores propuseram a existência de uma corrente de spin no estado fundamental de tais moléculas na ausência de um campo aplicado 92 . Assim, a supercondutividade também descreve o estado fundamental de moléculas aromáticas. Os vetores de momento do spin para cima e para baixo de elétrons e buracos em vários hidrocarbonetos aromáticos também foram analisados ​​153 . Os cálculos da Teoria VB preveem que o
𝜋
Os elétrons em anéis aromáticos são localizados e se movem em uma banda unidimensional semi-preenchida, e o caráter aromático resulta do acoplamento do spin do elétron 93 .

Sólidos híbridos formados pela interação entre duas redes moleculares individuais combinadas na mesma rede cristalina com duas ou mais propriedades físicas foram projetados. Condutores moleculares magnéticos como o sal [TTF] δ+ [TCNQ] δ- são um pacote de moléculas doadoras e aceitadoras para dar bandas de energia de elétrons deslocalizadas devido à sobreposição entre as
𝜋
orbitais de moléculas adjacentes 100 , 154 . A deslocalização de elétrons também é encontrada em supercondutores moleculares formados por sais de radicais catiônicos de doadores orgânicos, formulados como [doador] m X 154 , 155 . As interações eletrônicas entre
𝜋
e
𝑒
orbitais de elétrons podem estabilizar significativamente a supercondutividade em materiais magnéticos de base molecular 156 . Em geral, devido à sua riqueza
𝜋
 natureza excessiva, sistemas conjugados constituídos por ligações simples e duplas alternadas com extensa
𝜋
 backbones conjugados e estruturas eletrônicas deslocalizadas são consideradas uma classe avançada de materiais em eletrônica 69 . (Fig.  7 ) Outra descoberta notável é que orbitais p são considerados significativos em supercondutores. Por exemplo, O
2𝑝
orbitais estão em óxidos de alta T, carbono
2𝑝
orbitais estão em fulerenos e a condutividade metálica de várias substâncias 56 .

Figura 7
figura 7

A corrente elétrica é apresentada em um sólido metálico, um semicondutor e DNA. ( A ) Pares de elétrons e lacunas correlacionados em um condutor metálico ao atingir o
𝐸𝐶
. ( B ) Em um semicondutor, não há formação de pares. ( C ) Estado quântico ressonante oscilatório entre pares de elétrons e lacunas em nucleobases de DNA.

Este trabalho propõe uma conexão profunda entre aromaticidade e supercondutividade em pares de bases de DNA devido à formação de estados quânticos ressonantes oscilatórios entre elétrons correlacionados e pares de lacunas. Eley e Spivey primeiro imaginaram o DNA com um possível comportamento condutor por meio do
𝜋
-
𝜋
interação das nucleobases empilhadas 157 . Na década de 1990, vários estudos descreveram as intrigantes propriedades eletrônicas do DNA 158 , 159 , 160 . Além disso, foi proposto usar o DNA como um material dielétrico em transistores de efeito de campo e diodos orgânicos emissores de luz 161 , 162 . Kasumov et al. até induziram supercondutividade no DNA 163 . No entanto, os resultados experimentais em outros trabalhos são surpreendentemente diferentes, cobrindo os resultados do DNA como um isolante 164 . Notavelmente, em todos esses trabalhos, a condução no DNA testou a migração de lacunas ou elétrons, considerando efeitos específicos de sequência em pares de bases vizinhos. Suponha que o acoplamento entre pares de bases adjacentes seja forte o suficiente. Nesse caso,
𝑝por
orbitais perpendiculares ao plano base se sobrepõem o suficiente para formar deslocalizados
𝜋
ligação e
𝜋
* orbitais antiligantes separados por uma lacuna de energia de cerca de 4 eV 37 . Isso poderia levar a estados estendidos ao longo do eixo helicoidal com uma lacuna de energia de DNA reduzida. A força do acoplamento, por sua vez, depende do ângulo de torção e da separação de dois pares de bases sucessivos 165 .

O aparecimento de um super diamagnetismo é devido à capacidade do material de criar supercorrentes 166 . Essas correntes de pares de elétrons não dissipam energia e podem persistir para sempre sem obedecer ao Efeito Joule de perda de energia devido à geração de calor 91 , 167 . As correntes criam o forte campo magnético necessário para suportar o conhecido Efeito Meissner 168 . Usando o formalismo spin-Hamiltoniano da Teoria VB, Kuwajima propôs que um fluxo circular coletivo de elétrons através do perímetro do anel aromático no estado spin-alternativo poderia exercer suscetibilidades diamagnéticas 47 . Ele sugeriu uma ligação entre o modo de deslocalização e as propriedades magnéticas dos compostos aromáticos. Um diamagnetismo aprimorado de compostos aromáticos perpendiculares ao plano do anel foi descrito 47 , 72 , 169 .

Qubits de sistemas de estado sólido empregados em dispositivos supercondutores perdem coerência em uma escala de tempo muito curta devido à forte interação com o ambiente. O tempo de coerência deve ser 10 4 vezes maior do que o necessário para concluir uma operação. O tempo de coerência em uma Junção Josephson está intimamente relacionado à sua qualidade 170 A Junção Josephson descrita neste trabalho é formada por uma ligação H entre duas bases nitrogenadas (NH–N). O tunelamento de H intersticial entre locais O adjacentes (configuração O–H–O) foi observado com um comprimento típico de ligação O–H de ~ 1 Å 171 . Em distâncias O–O específicas, o tunelamento entre duas posições simétricas de sistemas de dois níveis foi demonstrado com alta qualidade 172 .

Quando os dois supercondutores são separados por um meio isolante de alguns nanômetros, os pares de Cooper podem cruzar a barreira pelo efeito Túnel e manter sua coerência de fase 110 . Alguns sistemas supercondutores/superfluidos com uma constrição/isolante separadora, geralmente conhecidos como “elos fracos” com relações corrente-fase semelhantes, mostram o Efeito Josephson ideal 173 , 174 . As junções de Van der Waals-Josephson podem acelerar o desenvolvimento de dispositivos supercondutores avançados, e os qubits Josephson-Junction têm aplicações potenciais como blocos de construção para computação quântica 175 . As dimensões do elo fraco precisam ser comparáveis ​​ao comprimento mínimo sobre o qual a função de onda pode mudar 108 , 174 , 176 . Portas de dois qubits foram implementadas com qubits Josephson-Junction 177 . Ao julgar o quão adequado um sistema físico é para construir um computador quântico digital universal, o padrão ouro é o DiVincenzo Criteria 178 , 179 . O DNA preenche esses critérios, pois é possível fabricar vários qubits, inicializá-los em um estado simples e conhecido e executar portas de um e dois qubits nos qubits com alta fidelidade sem perder a coerência quântica. Além disso, é possível medir os estados dos qubits.

Mesmo sob altas temperaturas (90 °C), o DNA é a molécula mais estável 180 . Houve interesse significativo no desenvolvimento de conjugados inorgânicos vis-à-vis bio-orgânicos usando as propriedades únicas do DNA. Os resultados são extremamente ruidosos, e as simulações sempre dependem de condições arbitrárias. Por exemplo, usando um tamanho de modelo reduzido ou DNA de fita simples 180 , 181 , tipos de DNA 182 , 183 , 184 e análise de DNA em ambientes não fisiológicos 183 . O DNA é uma molécula fascinante e um dos sistemas mais complexos. Embora métodos teóricos possam ajudar a obter uma compreensão detalhada das propriedades estruturais e dinâmicas do DNA, seu uso prático é problemático devido à natureza multiescala do DNA, que é caracterizada pelas interações de muitos componentes. Em nosso trabalho, descrevemos apenas a estrutura primária da molécula em algum ponto. A estrutura tridimensional com a configuração espacial e a associação com complexos de proteínas tornam a reprodução do modelo fisiológico e estrutural um desafio. Um problema fundamental poderia ser os graus de liberdade das bases de suas posições de equilíbrio. Além disso, para simular condições naturais, será necessário incorporar outros parâmetros como a viscosidade e o ambiente do núcleo no modelo.

Alguns designs foram descritos para melhorar a modelagem de interação de pares de bases. Embora o modelo Peyrard-Bishop, um exemplo bem conhecido do modelo translacional, tenha demonstrado uma vantagem sobre aqueles que assumem aproximação harmônica 185 , as dependências de temperatura de alguns parâmetros não são completamente claras. Em geral, simulações clássicas de dinâmica molecular só podem acessar escalas de tempo de microssegundos. Descrições totalmente atomísticas reproduzem a dinâmica de cada átomo em uma molécula de DNA 186 , mas ainda não levam em conta os efeitos quânticos. Modelos de DNA de granulação grossa nos permitem atingir tamanhos de DNA e escalas de tempo realistas, mas não abordam a estrutura adequada. O oxDNA e modelos computacionais mais recentes não estimam o dobramento ou a fusão do DNA 187 . O problema com abordagens matemáticas como a cadeia semelhante a um verme (WLC) é que alguns parâmetros intrínsecos ainda não foram determinados experimentalmente, e usamos suas estimativas 188 . Outras técnicas usadas para estudar ácidos nucleicos incluem um modelo parametrizado para reproduzir temperaturas de fusão, um modelo abstrato para formação de R-loop e cálculo quântico-químico. Nenhuma dessas ferramentas conseguiu simular o modelo estrutural e funcional do DNA em condições naturais. Portanto, acreditamos que uma melhor compreensão da estrutura pela combinação de conhecimento de química, biologia e física quântica abre novas portas para o desenvolvimento de métodos mais eficazes para estudar o DNA e nos deixaria mais perto de criar o computador quântico perfeito.

Conclusão

O DNA é um ponto de encontro para biologia, física e química. Um conhecimento físico-químico-biológico quântico do DNA como a molécula responsável pela transmissão de informação genética mostra os fenômenos complexos da Física Quântica Teórica na formação de pares correlacionados. A Física Quântica reconhece dois tipos de sistemas de partículas: férmions e bósons, ambos exclusivos. Geralmente, a maioria dos processos físicos são obtidos a partir de sistemas de férmions ou bósons, mas sistemas mistos apresentam muitas dificuldades. Nestes sistemas híbridos, a natureza quântica dos bósons ou férmions não é alterada, mas ambos interagem para criar um fenômeno complexo, como no BEC e na supercondutividade. Neste trabalho, introduzimos a formação de pares correlacionados que usam um Hamiltoniano com duas interações: a repulsão de Coulomb e a força atrativa elétron-energia vibracional-elétron, formando estados quânticos oscilatórios ressonantes entre elétrons e pares de buracos. As teorias de BCS, London, Ginzburg–Landau e Abrikósov são insuficientes para explicar a supercondutividade com base nesses pares no DNA. Uma corrente estática é obtida devido ao movimento oscilatório entre os pares de elétrons e buracos em uma única banda. O modelo físico-matemático e o mecanismo gráfico são representados.

A formação de pares de elétrons e buracos em orbitais moleculares pode ocorrer de forma diferente dependendo do mecanismo interno. Por exemplo, a formação de pares em Benzeno difere das bases nitrogenadas porque N pode contribuir para a
𝜋
-nuvem com um par solitário de elétrons localizados em um
𝑝por
orbital. Aqui, apresentamos as condições necessárias para a formação de pares nesses compostos aromáticos: 1-Deve haver elétrons e buracos nos orbitais que interagem, 2-A diferença de energia dos elétrons deve ser igual às vibrações da rede molecular. Os elétrons têm o momento exato, P, e estão na direção oposta, diferenciando-se apenas no momento do Bóson. Os pares se comportam como bósons e se condensam em um
𝜋
orbital. Neste artigo, conduzimos um estudo baseado em teoria da condensação de base nitrogenada dentro da estrutura da Teoria BEC. Nos sistemas de Bose bidimensionais sem grau de liberdade interno, as circulações dos pares produzem uma supercorrente. Tanto no benzeno quanto nas bases nitrogenadas, a supercorrente dos pares de elétrons e buracos flui, formando um anel circular interno. Essa supercorrente também é responsável pelas propriedades únicas dessas moléculas em termos de estabilidade, equilíbrio e baixa reatividade química.

Transições de fase em sistemas bidimensionais com simetria contínua têm atraído muita atenção. Este trabalho também apresenta como as bases purina e pirimidina são conectadas por meio de duas ou três ligações H, mas apenas a ligação H central funciona como uma junção Josephson. A atração efetiva entre elétrons resultou da energia de ligação do par positivo de RAHB e pode levar a vários estados magnéticos e de densidade de carga. Finalmente, descrevemos como o DNA se comporta como um computador quântico, definindo os estados quânticos que formam o qubit. Os qubits de junção Josephson são uma das plataformas mais promissoras para a computação quântica. Um conhecimento físico-químico-biológico do DNA nos permitirá controlar suas propriedades com parâmetros externos no futuro. Novas portas estão se abrindo no mundo da nanoeletrônica e da nanomedicina. Deus criou o computador quântico mais perfeito: o DNA.

Disponibilidade de dados

Os conjuntos de dados usados ​​e/ou analisados ​​durante o estudo atual estão disponíveis com o autor correspondente mediante solicitação razoável.

Referências

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Informações do autor

Autores e Afiliações

Contribuições

ARL concebeu o estudo. ARL e RRA realizaram análise teórica matemática. ARL, RRA, YMOG, MAMA escreveram o manuscrito. Todos os autores analisaram e discutiram os dados. Todos os autores leram e aprovaram o manuscrito final.

Autor correspondente

Correspondência para A. Riera Leal .

Declarações de ética

Interesses concorrentes

Os autores declaram não haver conflitos de interesse.

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Riera Aroche, R., Ortiz García, YM, Martínez Arellano, MA et al. DNA como um computador quântico perfeito baseado nos princípios da física quântica. Sci Rep 14 , 11636 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-62539-5

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