Según los estándares cuánticos, los sistemas biológicos son entornos bastante hostiles:son cálidos y caóticos, e incluso sus componentes fundamentales, como las células, se consideran muy grandes.

Pero un grupo de investigadores teóricos y experimentales ha descubierto un efecto claramente cuántico en biología que sobrevive a estas difíciles condiciones y también puede presentar una forma para que el cerebro se proteja de enfermedades degenerativas como el Alzheimer.

El resultado, publicado en The Journal of Physical Chemistry B no sólo es 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 es un salto cuántico para la biología cuántica, que nos lleva más allá de la fotosíntesis y hacia otros ámbitos de exploración:investigar 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.

Superrradiancia de fotón único

La estrella del estudio es el triptófano:una molécula más asociada con las cenas de pavo pero que también se encuentra en muchos contextos biológicos. Como aminoácido, es un bloque de construcción fundamental para las proteínas y estructuras más grandes formadas a partir de esas proteínas, como los cilios, los flagelos y los centriolos.

Una sola molécula de triptófano muestra una propiedad cuántica bastante estándar: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 muy a menudo en estudios para investigar las respuestas de las proteínas.

Pero el estudio encontró que sucede algo extraño cuando muchas, muchas moléculas de triptófano están dispuestas en una red simétrica, como si estuvieran en estructuras más grandes como los centríolos:emiten fluorescencia más fuerte y más rápido que si lo hicieran de forma independiente. El comportamiento colectivo se llama "superradiancia" y solo ocurre con fotones individuales debido a la mecánica cuántica.

Este resultado demuestra un efecto cuántico fundamental en un lugar donde normalmente no se espera que los efectos cuánticos puedan sobrevivir:un objeto más grande en un ambiente cálido y "ruidoso".

"Esta publicación es el fruto de una década de trabajo pensando en estas redes como impulsores 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. "Fue necesaria una aplicación muy precisa y cuidadosa de los métodos estándar de espectroscopía de proteínas, pero guiados por las predicciones teóricas de nuestros colaboradores, pudimos confirmar una sorprendente firma de superradiancia 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 superradiancia cuántica en los haces de neuronas similares a fibras tiene dos grandes implicaciones potenciales:protección contra enfermedades degenerativas y la transmisión de señales cuánticas en el cerebro.

Las enfermedades cerebrales degenerativas como el Alzheimer se han asociado con altos grados de estrés oxidativo, cuando el cuerpo transporta una gran cantidad de radicales libres, que pueden emitir partículas dañinas de luz ultravioleta de alta energía.

El triptófano puede absorber esta luz ultravioleta y reemitirla con una energía más baja y segura. Y, como descubrió este estudio, las redes de triptófano muy grandes pueden hacer esto de manera aún más eficiente y sólida debido a sus poderosos efectos cuánticos.

"Esta fotoprotección puede resultar crucial para mejorar o detener la progresión de enfermedades degenerativas", dijo Kurian. "Esperamos que esto inspire una serie de nuevos experimentos para comprender cómo la fotoprotección mejorada cuánticamente desempeña un papel en patologías complejas que prosperan en condiciones altamente oxidativas".

La segunda implicación de la superradiancia 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 las membranas de un extremo de la neurona al otro, en un proceso químico que dura unos pocos milisegundos para cada señal. Pero los investigadores de neurociencia sólo recientemente se han dado cuenta de que esto no puede ser toda la historia.

La sobrerradiación en el cerebro ocurre en menos de un picosegundo, una milmillonésima de milisegundo. Estas redes de triptófano podrían funcionar como fibra óptica cuántica que permitiría 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 compañeros de trabajo han enriquecido nuestra comprensión de los flujos de información en biología a nivel cuántico", afirmó Michael Levin, director del Centro Tufts de Biología Regenerativa y del Desarrollo, que no estuvo asociado con 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 señalización y procesamiento de información podrían ser enormemente relevantes para la biología evolutiva, física y computacional".

Información cuántica

El aspecto teórico de este trabajo ha llamado la atención de los investigadores de la tecnología cuántica, porque la supervivencia de frágiles efectos cuánticos en un entorno "desordenado" es de gran interés para quienes quieren hacer que la tecnología de la información cuántica sea más resiliente. 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, porque los métodos teóricos utilizados en este estudio se emplean ampliamente en esos campos para comprender redes cuánticas complejas en entornos ruidosos", dijo el profesor Nicolò Defenu del Instituto Federal de Tecnología (ETH) de Zurich en Suiza, un investigador cuántico que no participó en el trabajo.

"Es realmente intrigante ver una conexión vital entre la computación cuántica 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 superradiancia.

"La superradiancia de fotón único promete producir nuevas herramientas para almacenar información cuántica, y este trabajo muestra sus efectos en un contexto totalmente nuevo y diferente", dijo Scully. "Seguramente examinaremos de cerca las implicaciones de los efectos cuánticos en los sistemas vivos en los próximos años."