La biología cuántica podría revolucionar nuestra comprensión de cómo funciona la vida

Reeditado por Platón

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Imagine usar su teléfono celular para controlar la actividad de sus propias células para tratar lesiones y enfermedades. Suena como algo salido de la imaginación de un escritor de ciencia ficción demasiado optimista. Pero esto algún día puede ser una posibilidad a través del campo emergente de la biología cuántica.

En las últimas décadas, los científicos han logrado avances increíbles en la comprensión y manipulación de sistemas biológicos a escalas cada vez más pequeñas, desde plegamiento de proteínas a ingeniería genética. Y, sin embargo, apenas se comprende hasta qué punto los efectos cuánticos influyen en los sistemas vivos.

Los efectos cuánticos son fenómenos que ocurren entre átomos y moléculas que no pueden ser explicados por la física clásica. Se sabe desde hace más de un siglo que las reglas de la mecánica clásica, como las leyes del movimiento de Newton, descomponerse a escalas atómicas. En cambio, los objetos diminutos se comportan de acuerdo con un conjunto diferente de leyes conocidas como mecánica cuántica.

Para los humanos, que solo pueden percibir el mundo macroscópico, o lo que es visible a simple vista, la mecánica cuántica puede parecer contraria a la intuición y algo mágica. Cosas que no esperarías que sucedieran en el mundo cuántico, como electrones "túneles" a través de diminutas barreras de energía y aparecer en el otro lado ileso, o estar en dos lugares diferentes al mismo tiempo en un fenómeno llamado superposición.

estoy capacitado como ingeniero cuántico. La investigación en mecánica cuántica suele estar orientada hacia la tecnología. Sin embargo, y algo sorprendente, cada vez hay más pruebas de que la naturaleza, un ingeniero con miles de millones de años de práctica, ha aprendido a utilizar la mecánica cuántica para funcionar de manera óptima. Si esto es cierto, significa que nuestra comprensión de la biología es radicalmente incompleta. También significa que posiblemente podríamos controlar los procesos fisiológicos utilizando las propiedades cuánticas de la materia biológica.

Lo cuántico en biología es probablemente real

Los investigadores pueden manipular los fenómenos cuánticos para construir una mejor tecnología. De hecho, ya vives en un mundo de potencia cuántica: desde punteros láser hasta GPS, imágenes de resonancia magnética y los transistores en su computadora, todas estas tecnologías se basan en efectos cuánticos.

En general, los efectos cuánticos solo se manifiestan en escalas de longitud y masa muy pequeñas, o cuando las temperaturas se acercan al cero absoluto. Esto se debe a que los objetos cuánticos como los átomos y las moléculas pierden su "cuanticidad" cuando interactúan descontroladamente entre sí y con su entorno. En otras palabras, las leyes de la mecánica clásica describen mejor una colección macroscópica de objetos cuánticos. Todo lo que comienza cuántico muere clásico. Por ejemplo, se puede manipular un electrón para que esté en dos lugares al mismo tiempo, pero terminará en un solo lugar después de un tiempo, exactamente lo que se esperaría clásicamente.

En un sistema biológico complicado y ruidoso, se espera que la mayoría de los efectos cuánticos desaparezcan rápidamente, eliminados en lo que el físico Erwin Schrödinger llamó "ambiente cálido y húmedo de la célula.” Para la mayoría de los físicos, el hecho de que el mundo viviente opere a temperaturas elevadas y en ambientes complejos implica que la física clásica puede describir de manera adecuada y completa la biología: sin cruces de barreras funky, sin estar en múltiples ubicaciones simultáneamente.

Los químicos, sin embargo, han estado discutiendo durante mucho tiempo. La investigación sobre reacciones químicas básicas a temperatura ambiente muestra sin ambigüedades que procesos que ocurren dentro de las biomoléculas como las proteínas y el material genético son el resultado de efectos cuánticos. Es importante destacar que tales efectos cuánticos nanoscópicos de corta duración son consistentes con la conducción de algunos procesos fisiológicos macroscópicos que los biólogos han medido en células y organismos vivos. La investigación sugiere que los efectos cuánticos influyen en las funciones biológicas, incluyendo regulación de la actividad enzimática, detección de campos magnéticos, metabolismo celulary transporte de electrones en biomoléculas.

Cómo estudiar biología cuántica

La tentadora posibilidad de que los sutiles efectos cuánticos puedan alterar los procesos biológicos presenta tanto una frontera emocionante como un desafío para los científicos. El estudio de los efectos de la mecánica cuántica en biología requiere herramientas que puedan medir escalas de tiempo cortas, escalas de longitud pequeñas y diferencias sutiles en los estados cuánticos que dan lugar a cambios fisiológicos, todo ello integrado en un entorno de laboratorio húmedo tradicional.

En mi trabajo, construyo instrumentos para estudiar y controlar las propiedades cuánticas de cosas pequeñas como los electrones. Así como los electrones tienen masa y carga, también tienen propiedad cuántica llamada espín. El espín define cómo interactúan los electrones con un campo magnético, de la misma manera que la carga define cómo interactúan los electrones con un campo eléctrico. Los experimentos cuánticos que he estado construyendo desde la escuela de posgrado, y ahora en mi propio laboratorio, pretendo aplicar campos magnéticos personalizados para cambiar los espines de electrones particulares.

La investigación ha demostrado que muchos procesos fisiológicos están influenciados por campos magnéticos débiles. Estos procesos incluyen desarrollo de células madre y maduración, tasas de proliferación celular, reparación de material genéticoy innumerables otros. Estas respuestas fisiológicas a los campos magnéticos son consistentes con reacciones químicas que dependen del giro de electrones particulares dentro de las moléculas. La aplicación de un campo magnético débil para cambiar los espines de los electrones puede controlar eficazmente los productos finales de una reacción química, con importantes consecuencias fisiológicas.

Actualmente, la falta de comprensión de cómo funcionan estos procesos a nivel de nanoescala impide que los investigadores determinen exactamente qué fuerza y frecuencia de los campos magnéticos provocan reacciones químicas específicas en las células. Las tecnologías actuales de teléfonos celulares, portátiles y de miniaturización ya son suficientes para producir campos magnéticos débiles y adaptados que cambian la fisiología, tanto para bien como para mal. La pieza que falta del rompecabezas es, por lo tanto, un "libro de códigos deterministas" de cómo mapear las causas cuánticas a los resultados fisiológicos.

En el futuro, el ajuste fino de las propiedades cuánticas de la naturaleza podría permitir a los investigadores desarrollar dispositivos terapéuticos no invasivos, controlados de forma remota y accesibles con un teléfono móvil. Los tratamientos electromagnéticos podrían potencialmente usarse para prevenir y tratar enfermedades, como tumores cerebrales, así como en la biofabricación, como aumentar la producción de carne cultivada en laboratorio.

Una forma completamente nueva de hacer ciencia

La biología cuántica es uno de los campos más interdisciplinarios que jamás haya surgido. ¿Cómo construye una comunidad y capacita a los científicos para trabajar en esta área?

Desde la pandemia, mi laboratorio en la Universidad de California, Los Ángeles y el Centro de Capacitación de Doctorado en Biología Cuántica de la Universidad de Surrey han organizado Grandes encuentros de Biología Cuántica proporcionar un foro semanal informal para que los investigadores se reúnan y compartan su experiencia en campos como la física cuántica convencional, la biofísica, la medicina, la química y la biología.

La investigación con implicaciones potencialmente transformadoras para la biología, la medicina y las ciencias físicas requerirá trabajar dentro de un modelo de colaboración igualmente transformador. Trabajar en un laboratorio unificado permitiría a los científicos de disciplinas que adoptan enfoques de investigación muy diferentes realizar experimentos que cumplan con la amplitud de la biología cuántica desde lo cuántico hasta lo molecular, lo celular y lo orgánico.

La existencia de la biología cuántica como disciplina implica que la comprensión tradicional de los procesos de la vida es incompleta. La investigación adicional conducirá a nuevos conocimientos sobre la antigua pregunta de qué es la vida, cómo se puede controlar y cómo aprender con la naturaleza para construir mejores tecnologías cuánticas.

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.

Crédito de la imagen: ANIRUDH / Unsplash