Publicado en Física de la naturaleza, Los hallazgos de un nuevo estudio codirigido por los equipos de la Clínica Cleveland y la Universidad Case Western Reserve muestran por primera vez cómo las ideas de la física cuántica pueden ayudar a desarrollar nuevas intervenciones farmacológicas para las infecciones bacterianas y el cáncer.

El equipo de investigación demostró que los principios del control cuántico, un campo de la física cuántica utilizado en aplicaciones informáticas, se puede traducir y aplicar a problemas biológicos. Construyeron un algoritmo matemático que se puede utilizar para diseñar y acelerar intervenciones específicas para prevenir o revertir la resistencia a los medicamentos.

Normalmente, las células en presencia de fármacos evolucionan de acuerdo con la selección natural darwiniana:los mutantes que son resistentes al fármaco pueden superar a sus vecinos susceptibles, dominando la población. Contraintuitivamente, también se puede cooptar este proceso para lograr el resultado opuesto, en última instancia, derrotar a la resistencia a los medicamentos. Por ejemplo, una mutación que causa resistencia a un medicamento puede causar una susceptibilidad extrema a otro, un fenómeno conocido como sensibilidad colateral.

"Si ese mutante es inicialmente solo una pequeña fracción de la población, podemos usar la primera droga para fomentar su dominio, y luego aplique el segundo medicamento para eliminar rápidamente la infección, "dijo el médico-científico Jacob Scott, MARYLAND, DPhil, un oncólogo radiólogo en ejercicio en la Clínica Cleveland y coautor principal del estudio, haciendo referencia a los hallazgos de un estudio que su grupo publicó a principios de este año. "Pero también sabemos que la primera etapa puede ser lenta:las mutaciones ocurren en momentos aleatorios, y esperar lo suficiente hasta que el mutante se haga cargo por completo podría comprometer la eficacia del tratamiento y los resultados del paciente. El tiempo que se necesita para garantizar que estas intervenciones tengan éxito ha sido una limitación significativa para la adopción de la medicina evolutiva en la práctica clínica ".

Acelerar este proceso es donde la física cuántica puede proporcionar inspiración. "La aleatoriedad de las mutaciones en la evolución tiene paralelos matemáticos intrigantes con la aleatoriedad de los fenómenos cuánticos, "según el profesor Michael Hinczewski, biofísico teórico de la Universidad Case Western Reserve y coautor principal. "Esta aleatoriedad hace que sea un desafío conducir de manera confiable y rápida un sistema cuántico de un estado a otro. Resolver este problema impulsor es un ingrediente esencial en ciertos tipos de computación cuántica. Nuestro nuevo estudio explota estos paralelos, traduciendo una técnica cuántica particular conocida como conducción contradiabática al lenguaje de la biología evolutiva ".

"Imagínese tratar de hacer que un sistema siga un camino deseado desde un estado inicial a un estado final en un corto período de tiempo, ya sea que este camino sea una secuencia de estados cuánticos o proporciones variables de mutantes en una población en evolución, ", dijo el profesor Hinczewski." La conducción contradiabática es una forma de corrección dinámica, proporcionando la intervención externa suficiente para mantener el sistema en el camino en cada instante, sin importar qué tan rápido sea el protocolo ".

Los investigadores crearon un algoritmo matemático para calcular esta intervención en aplicaciones de la medicina evolutiva. La salida del algoritmo es una receta para alterar dinámicamente las dosis o tipos de medicamentos para permanecer en la ruta objetivo. El equipo demostró su técnica usándola para manipular la evolución en simulaciones de células vivas. Estas simulaciones se basaron en datos experimentales de un estudio anterior sobre un conjunto de mutantes que mostraban diversos grados de resistencia a los medicamentos contra la malaria.

La conducción contradiabática cambió la proporción de mutantes, afectando la sensibilidad general a los medicamentos de la población, más rápido y con mejor control de lo que podría esperarse utilizando los métodos experimentales actuales en la medicina evolutiva.

Dados los resultados prometedores del equipo, la siguiente fase de su investigación será realizar pruebas experimentales directas del enfoque. Como primer ejemplo de conducción antidiabática en un contexto biológico, los investigadores tienen la esperanza de que su trabajo pueda proporcionar una base para un área de estudio novedosa:el control biológico inspirado en los cuánticos. Los investigadores planean aplicar estas ideas a otros sistemas biológicos que comparten similitudes con la evolución, como el desarrollo de células madre y la ecología.