Los organismos fotosintéticos recogen la luz del sol para producir la energía que necesitan para sobrevivir. Un nuevo artículo publicado por investigadores de la Universidad de Chicago revela su secreto:explotar la mecánica cuántica.

"Antes de este estudio, la comunidad científica vio firmas cuánticas generadas en sistemas biológicos y formuló la pregunta, ¿Fueron estos resultados solo una consecuencia de que la biología se construye a partir de moléculas, ¿O tenían un propósito? ", dijo Greg Engel, Catedrático de Química y autor principal del estudio. "Esta es la primera vez que vemos a la biología explotando activamente los efectos cuánticos".

Los científicos estudiaron un tipo de microorganismo llamado bacteria de azufre verde. Estas bacterias necesitan luz para sobrevivir. pero incluso pequeñas cantidades de oxígeno pueden dañar su delicado equipo fotosintético. Por lo tanto, deben desarrollar formas de minimizar el daño cuando la bacteria se encuentra con oxígeno.

Para estudiar este proceso, Los investigadores rastrearon el movimiento de la energía a través de una proteína fotosintética en diferentes condiciones, con oxígeno alrededor, y sin.

Descubrieron que la bacteria usa un efecto mecánico cuántico llamado mezcla vibrónica para mover energía entre dos vías diferentes. dependiendo de si hay oxígeno alrededor o no. La mezcla vibrónica implica características vibratorias y electrónicas en moléculas que se acoplan entre sí. En esencia, las vibraciones se mezclan tan completamente con los estados electrónicos que sus identidades se vuelven inseparables. Esta bacteria utiliza este fenómeno para guiar la energía hacia donde la necesita.

Si no hay oxígeno alrededor y la bacteria está a salvo, la bacteria utiliza la mezcla vibrónica al hacer coincidir la diferencia de energía entre dos estados electrónicos en un conjunto de moléculas y proteínas llamado complejo FMO, con la energía de la vibración de una molécula de bacterioclorofila. Esto anima a que la energía fluya a través de la vía 'normal' hacia el centro de reacción fotosintética, que está lleno de clorofila.

Pero si hay oxígeno alrededor, el organismo ha evolucionado para dirigir la energía a través de un camino menos directo donde se puede apagar. (Apagar la energía es similar a poner la palma de la mano en una cuerda de guitarra vibrante para disipar la energía). la bacteria pierde algo de energía pero salva todo el sistema.

Para lograr este efecto, un par de residuos de cisteína en el complejo fotosintético actúa como un disparador:cada uno reacciona con el oxígeno en el ambiente perdiendo un protón, que interrumpe la mezcla vibrónica. Esto significa que la energía ahora se mueve preferentemente a través de la vía alternativa, donde se pueda apagar con seguridad. Este principio es un poco como bloquear dos carriles en una superautopista y desviar parte del tráfico a las carreteras locales donde hay muchas más salidas.

"Lo interesante de este resultado es que estamos viendo que la proteína enciende y apaga el acoplamiento vibrónico en respuesta a los cambios ambientales en la célula, "dijo Jake Higgins, estudiante de posgrado en el Departamento de Química y autor principal del artículo. "La proteína utiliza el efecto cuántico para proteger al organismo del daño oxidativo".

Estos hallazgos traen consigo una nueva y emocionante revelación sobre biología; El uso de un mecanismo explícitamente cuántico para proteger el sistema muestra una adaptación importante y que los efectos cuánticos pueden ser importantes para la supervivencia.

Es probable que este fenómeno no se limite a las bacterias verdes del azufre, dijeron los científicos. Como explicó Higgins, “La simplicidad del mecanismo sugiere que podría encontrarse en otros organismos fotosintéticos a lo largo del paisaje evolutivo. Si más organismos son capaces de modular dinámicamente acoplamientos de mecánica cuántica en sus moléculas para producir cambios más grandes en fisiología, podría haber un conjunto completamente nuevo de efectos seleccionados por la naturaleza que aún no conocemos ".