A biologia quântica pode revolucionar nossa compreensão de como a vida funciona

A biologia quântica pode revolucionar nossa compreensão de como a vida funciona

Carimbo de data / hora: 19 de maio de 2023 10:00

Imagine usar seu telefone celular para controlar a atividade de suas próprias células para tratar lesões e doenças. Parece algo saído da imaginação de um escritor de ficção científica excessivamente otimista. Mas isso pode um dia ser uma possibilidade através do campo emergente da biologia quântica.

Nas últimas décadas, os cientistas fizeram progressos incríveis na compreensão e manipulação de sistemas biológicos em escalas cada vez menores, desde dobramento de proteínas para engenharia genética. E, no entanto, a extensão em que os efeitos quânticos influenciam os sistemas vivos permanece pouco compreendida.

Efeitos quânticos são fenômenos que ocorrem entre átomos e moléculas que não podem ser explicados pela física clássica. Sabe-se há mais de um século que as regras da mecânica clássica, como as leis do movimento de Newton, quebrar em escalas atômicas. Em vez disso, objetos minúsculos se comportam de acordo com um conjunto diferente de leis conhecidas como mecânica quântica.

Para os humanos, que só podem perceber o mundo macroscópico, ou o que é visível a olho nu, a mecânica quântica pode parecer contra-intuitiva e um tanto mágica. Coisas que você pode não esperar acontecem no mundo quântico, como elétrons “tunelando” através pequenas barreiras de energia e aparecer do outro lado ileso, ou estar em dois lugares diferentes ao mesmo tempo em um fenômeno chamado superposição.

Eu sou treinado como um engenheiro quântico. A pesquisa em mecânica quântica é geralmente voltada para a tecnologia. No entanto, e de forma um tanto surpreendente, há evidências crescentes de que a natureza – uma engenheira com bilhões de anos de prática – aprendeu como usar a mecânica quântica para funcionar de forma otimizada. Se isso for realmente verdade, significa que nossa compreensão da biologia é radicalmente incompleta. Isso também significa que poderíamos controlar os processos fisiológicos usando as propriedades quânticas da matéria biológica.

Quantumness na biologia é provavelmente real

Os pesquisadores podem manipular fenômenos quânticos para construir uma tecnologia melhor. Na verdade, você já mora em um mundo movido a energia quântica: de ponteiros laser a GPS, ressonância magnética e transistores em seu computador - todas essas tecnologias dependem de efeitos quânticos.

Em geral, os efeitos quânticos se manifestam apenas em escalas de comprimento e massa muito pequenas, ou quando as temperaturas se aproximam do zero absoluto. Isso ocorre porque objetos quânticos como átomos e moléculas perder sua “quantidade” quando eles interagem incontrolavelmente uns com os outros e com seu ambiente. Em outras palavras, uma coleção macroscópica de objetos quânticos é melhor descrita pelas leis da mecânica clássica. Tudo que começa quântico morre clássico. Por exemplo, um elétron pode ser manipulado para estar em dois lugares ao mesmo tempo, mas acabará em apenas um lugar depois de um curto período de tempo - exatamente o que seria esperado classicamente.

Em um sistema biológico complicado e ruidoso, espera-se, portanto, que a maioria dos efeitos quânticos desapareça rapidamente, desbotada no que o físico Erwin Schrödinger chamou de “ambiente quente e úmido da célula.” Para a maioria dos físicos, o fato de que o mundo vivo opera em temperaturas elevadas e em ambientes complexos implica que a biologia pode ser adequada e totalmente descrita pela física clássica: nenhuma passagem de barreira estranha, nenhum estar em vários locais simultaneamente.

Os químicos, no entanto, há muito tempo discordam. A pesquisa sobre reações químicas básicas à temperatura ambiente mostra inequivocamente que processos que ocorrem dentro de biomoléculas como proteínas e material genético são o resultado de efeitos quânticos. É importante ressaltar que esses efeitos quânticos nanoscópicos de curta duração são consistentes com a condução de alguns processos fisiológicos macroscópicos que os biólogos mediram em células e organismos vivos. A pesquisa sugere que os efeitos quânticos influenciam as funções biológicas, incluindo regulando a atividade enzimática, detecção de campos magnéticos, metabolismo celular e transporte de elétrons em biomoléculas.

Como estudar biologia quântica

A tentadora possibilidade de que efeitos quânticos sutis possam ajustar processos biológicos apresenta uma fronteira empolgante e um desafio para os cientistas. O estudo dos efeitos da mecânica quântica na biologia requer ferramentas que possam medir escalas de tempo curtas, escalas de comprimento pequeno e diferenças sutis nos estados quânticos que dão origem a mudanças fisiológicas – tudo integrado em um ambiente tradicional de laboratório úmido.

No meu trabalho, Eu construo instrumentos para estudar e controlar as propriedades quânticas de pequenas coisas como elétrons. Da mesma forma que os elétrons têm massa e carga, eles também têm uma propriedade quântica chamada spin. O spin define como os elétrons interagem com um campo magnético, da mesma forma que a carga define como os elétrons interagem com um campo elétrico. Os experimentos quânticos que venho construindo desde a pós-graduação, e agora em meu próprio laboratório, pretendo aplicar campos magnéticos personalizados para alterar os spins de elétrons específicos.

A pesquisa demonstrou que muitos processos fisiológicos são influenciados por campos magnéticos fracos. Esses processos incluem desenvolvimento de células-tronco e maturação, taxas de proliferação celular, reparação de material genético e inúmeros outros. Essas respostas fisiológicas aos campos magnéticos são consistentes com reações químicas que dependem do spin de determinados elétrons dentro das moléculas. A aplicação de um campo magnético fraco para alterar os spins dos elétrons pode, assim, controlar efetivamente os produtos finais de uma reação química, com importantes consequências fisiológicas.

Atualmente, a falta de compreensão de como esses processos funcionam em nanoescala impede os pesquisadores de determinar exatamente qual força e frequência dos campos magnéticos causam reações químicas específicas nas células. As tecnologias atuais de telefone celular, wearable e miniaturização já são suficientes para produzir campos magnéticos fracos e personalizados que mudam a fisiologia, tanto para o bem como para o mal. A peça que faltava no quebra-cabeça é, portanto, um “livro de códigos determinístico” de como mapear causas quânticas para resultados fisiológicos.

No futuro, o ajuste fino das propriedades quânticas da natureza pode permitir que os pesquisadores desenvolvam dispositivos terapêuticos não invasivos, controlados remotamente e acessíveis com um telefone celular. Tratamentos eletromagnéticos podem potencialmente ser usados ​​para prevenir e tratar doenças, como tumores cerebrais, bem como na biofabricação, como aumentando a produção de carne cultivada em laboratório.

Uma maneira totalmente nova de fazer ciência

A biologia quântica é um dos campos mais interdisciplinares que já surgiu. Como você constrói comunidade e treina cientistas para trabalhar nesta área?

Desde a pandemia, meu laboratório na Universidade da Califórnia, em Los Angeles, e o Centro de Treinamento de Doutorado em Biologia Quântica da Universidade de Surrey organizaram Grandes Encontros de Biologia Quântica para fornecer um fórum semanal informal para os pesquisadores se encontrarem e compartilharem seus conhecimentos em áreas como física quântica, biofísica, medicina, química e biologia.

A pesquisa com implicações potencialmente transformadoras para biologia, medicina e ciências físicas exigirá trabalhar dentro de um modelo de colaboração igualmente transformador. Trabalhar em um laboratório unificado permitiria que cientistas de disciplinas que adotam abordagens muito diferentes de pesquisa conduzissem experimentos que atendessem à amplitude da biologia quântica, do quântico ao molecular, ao celular e ao organismo.

A existência da biologia quântica como disciplina implica que a compreensão tradicional dos processos da vida é incompleta. Mais pesquisas levarão a novos insights sobre a velha questão de o que é a vida, como ela pode ser controlada e como aprender com a natureza para construir melhores tecnologias quânticas.A Conversação

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

Crédito de imagem: ANIRUDH / Unsplash

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