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(noticias nanowerk) Los efectos de la mecánica cuántica (las leyes de la física que se aplican a escalas extremadamente pequeñas) son extremadamente sensibles a las perturbaciones. Por esta razón, las computadoras cuánticas deben funcionar a temperaturas más frías que el espacio y, en general, sólo objetos muy, muy pequeños, como átomos y moléculas, exhiben propiedades cuánticas. Según los estándares cuánticos, los sistemas biológicos son ambientes bastante hostiles: son cálidos y caóticos, e incluso sus componentes básicos -como las células- se consideran muy grandes.
Sin embargo, un grupo de investigadores teóricos y experimentales ha descubierto un claro efecto cuántico en biología que sobrevive a estas difíciles condiciones y también puede ofrecer al cerebro una forma de protegerse de enfermedades degenerativas como el Alzheimer. El resultado, publicado en El diario de la química física (“Superradiancia ultravioleta de megaredes de triptófano en arquitecturas biológicas”) y seleccionado como Elección de los editores por Ciencia No es sólo un descubrimiento importante para la neurociencia, sino que también sugiere nuevas aplicaciones de técnicas para los investigadores de la computación cuántica y representa una nueva forma de pensar sobre la relación entre la vida y la mecánica cuántica.
«Creo que nuestro trabajo representa un salto cuántico para la biología cuántica, que nos lleva más allá de la fotosíntesis y hacia otras áreas de exploración: estudiar las implicaciones para el procesamiento de información cuántica y descubrir nuevos enfoques terapéuticos para enfermedades complejas», dijo Philip Kurian, Ph. D. , investigador principal y director fundador del Laboratorio de Biología Cuántica de la Universidad Howard en Washington, DC
![Superrradiación ultravioleta de megaredes de triptófano en fibras neuronales](https://www.nanowerk.com/news2/biotech/id65125_1.jpg)
Superradiación de fotón único
La estrella del estudio es el triptófano: una molécula más comúnmente asociada con el consumo de pavo, pero que también se encuentra en muchos contextos biológicos. Como aminoácido, es un componente fundamental de las proteínas y de estructuras más grandes formadas por estas proteínas, como: B. Cilios, flagelos y centríolos.
Una sola molécula de triptófano tiene una propiedad cuántica bastante normal: puede absorber una partícula de luz (llamada fotón) a una frecuencia determinada y emitir otro fotón a una frecuencia diferente. Este proceso se llama fluorescencia y se utiliza con mucha frecuencia en estudios que examinan reacciones de proteínas.
Sin embargo, el estudio encontró que sucede algo extraño cuando muchas, muchas moléculas de triptófano están dispuestas en una red simétrica, como es el caso en estructuras más grandes como los centriolos: emiten fluorescencia con más fuerza y más rápido que si fluorescieran de forma independiente. El comportamiento colectivo se llama “superradiancia” y, debido a la mecánica cuántica, sólo ocurre con fotones individuales.
Este resultado muestra un efecto cuántico fundamental en un lugar donde los efectos cuánticos normalmente no pueden sobrevivir: un objeto más grande en un ambiente cálido y «ruidoso».
«Este artículo es el resultado de décadas de trabajo analizando estas redes como impulsoras clave de importantes efectos cuánticos a nivel celular», dijo Kurian.
«Es un resultado hermoso», dijo el profesor Majed Chergui del Instituto Federal Suizo de Tecnología (EPFL) en Lausana, Suiza, quien dirigió el equipo experimental. «Se requirió una aplicación muy precisa y cuidadosa de los métodos estándar de espectroscopía de proteínas, pero basándonos en las predicciones teóricas de nuestros colaboradores, pudimos confirmar una sorprendente firma de superradiación en un sistema biológico a escala micrométrica».
Neuronas
Estas grandes redes de triptófano existen en las neuronas, las células que forman el sistema nervioso de los mamíferos. La presencia de superradiación cuántica en los haces de neuronas similares a fibras tiene dos efectos potenciales principales: protección contra enfermedades degenerativas y la transmisión de señales cuánticas en el cerebro.
Las enfermedades cerebrales degenerativas como el Alzheimer están asociadas con altos niveles de estrés oxidativo, cuando el cuerpo transporta una gran cantidad de radicales libres que pueden emitir partículas de luz ultravioleta dañinas y de alta energía.
El triptófano puede absorber esta luz ultravioleta y liberarla con una energía más baja y segura. Y como encontró este estudio, las redes de triptófano muy grandes pueden hacer esto de manera aún más eficiente y robusta debido a sus poderosos efectos cuánticos.
«Esta fotoprotección podría resultar crucial para aliviar o detener la progresión de enfermedades degenerativas», dijo Kurian. «Esperamos que esto estimule una serie de nuevos experimentos para comprender el papel que desempeña la fotoprotección mejorada cuánticamente en patologías complejas que prosperan en condiciones altamente oxidativas».
La segunda implicación de la superrradiancia en el cerebro tiene que ver con la forma en que las neuronas transmiten señales. El modelo estándar de señalización neuronal implica que los iones se mueven a través de membranas de un extremo de la neurona al otro en un proceso químico que toma unos pocos milisegundos para cada señal. Pero sólo recientemente los investigadores de neurociencia se dieron cuenta de que esta puede no ser toda la historia.
La súper radiación en el cerebro ocurre en menos de un picosegundo, una milmillonésima de milisegundo. Estas redes de triptófano podrían actuar como fibra óptica cuántica, permitiendo al cerebro procesar información cientos de millones de veces más rápido de lo que permitirían los procesos químicos por sí solos.
«El grupo Kurian y sus colaboradores han enriquecido nuestra comprensión de los flujos de información en biología a nivel cuántico», dijo Michael Levin, director del Centro Tufts de Biología Regenerativa y del Desarrollo, que no participó en el trabajo. “Estas redes ópticas cuánticas están muy extendidas, no sólo en los sistemas neuronales, sino en toda la red de la vida. Las notables propiedades de esta modalidad de procesamiento de señales e información podrían ser de gran importancia para la biología evolutiva, física y computacional”.
Información cuántica
El aspecto teórico de este trabajo ha atraído la atención de los investigadores de la tecnología cuántica, ya que la supervivencia de los frágiles efectos cuánticos en un entorno «caótico» es de gran interés para quienes quieren hacer que la tecnología de la información cuántica sea más resistente. Kurian dice que ha tenido conversaciones con varios investigadores de tecnología cuántica que se sorprendieron al encontrar tal conexión en las ciencias biológicas.
«Estos nuevos resultados serán de interés para la gran comunidad de investigadores en sistemas cuánticos abiertos y computación cuántica, ya que los métodos teóricos utilizados en este estudio se utilizan ampliamente en estas áreas para comprender redes cuánticas complejas en entornos ruidosos», dijo el profesor Nicolò Defenu. del Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH) de Zurich, en Suiza, un investigador cuántico que no participó en el trabajo. «Es realmente fascinante ver una conexión importante entre las computadoras cuánticas y los sistemas vivos».
El trabajo también llamó la atención del físico cuántico Marlan Scully, pionero del láser en el campo de la óptica cuántica y uno de los principales expertos en superrradiancia. «La superradiancia de fotón único promete nuevas herramientas para almacenar información cuántica, y este trabajo muestra sus implicaciones en un contexto completamente nuevo y diferente», dijo Scully. «Seguramente estudiaremos en detalle las implicaciones de los efectos cuánticos en los sistemas vivos durante muchos años».
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