Las fibras ópticas cuánticas mejoran el procesamiento cerebral, protegiéndolo de la degradación

Washington, DC – (26 de abril de 2024) Los efectos de la mecánica cuántica (las leyes de la física que se aplican a escalas muy pequeñas) son extremadamente sensibles a las perturbaciones. Esta es la razón por la que las computadoras cuánticas deben alojarse a temperaturas más frías que las del espacio exterior, y sólo los objetos muy pequeños, como átomos y moléculas, generalmente exhiben propiedades cuánticas. Según los estándares cuánticos, los sistemas biológicos son ambientes bastante hostiles: son cálidos y caóticos, e incluso sus componentes básicos –como las células– son muy grandes.

Pero un grupo de investigadores teóricos y experimentales ha descubierto un claro efecto cuántico en biología que sobrevive a estas difíciles condiciones y también puede ofrecer una forma para que el cerebro se proteja de enfermedades degenerativas como el Alzheimer. El resultado fue publicado en Revista de química física Seleccionado como Elección de los Editores por la revista Science, no sólo es un descubrimiento importante para la neurociencia, sino que también sugiere nuevas aplicaciones para las técnicas de los investigadores de computación cuántica y representa una nueva forma de pensar sobre la relación entre la vida y la mecánica cuántica.

«Creo que nuestro trabajo representa un salto cuántico para la biología cuántica, que nos lleva más allá de la fotosíntesis y hacia otras áreas de exploración: investigar las implicaciones del procesamiento de información cuántica y descubrir nuevos enfoques terapéuticos para enfermedades complejas», dijo Philip Kurian, Ph.D. , investigador principal y director fundador de laboratorio de biología cuántica en Universidad Howard En Washington, DC. El estudio fue apoyado previamente Fundación chico.

Radiación de fotón único

La estrella del estudio es el triptófano: la molécula más comúnmente asociada con la cena de pavo pero también presente en muchos contextos biológicos. Como aminoácido, sirve como componente esencial para las proteínas y las estructuras más grandes formadas a partir de esas proteínas, como los cilios, los flagelos y los centríolos.

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Una sola molécula de triptófano exhibe 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 a menudo en estudios para comprobar 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 lo están en estructuras más grandes como los centriolos: emiten fluorescencia más fuerte y más rápido que si lo hicieran de forma independiente. Este comportamiento colectivo se llama «superradiación» 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 esperaría que sobrevivieran los efectos cuánticos: un objeto más grande en un ambiente cálido y «ruidoso».

«Esta publicación es el resultado de una década de trabajo pensando en estas redes como impulsoras clave de importantes efectos cuánticos a nivel celular», dijo Kurian.

«Es un resultado hermoso», dijo el profesor Majid Sharqi del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Lausana, Suiza, quien dirigió el equipo experimental. «Se requirió una aplicación muy precisa de 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».

células nerviosas

Estas grandes redes de triptófano se encuentran en las neuronas, las células que forman el sistema nervioso de los mamíferos. La presencia de radiación supercuántica en haces de células nerviosas similares a fibras tiene dos grandes resultados 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 moléculas dañinas de luz ultravioleta de alta energía.

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El triptófano puede absorber esta luz ultravioleta y reemitirla con una energía más baja y segura. Como encontró este estudio, las redes de triptófano muy grandes pueden hacer esto de manera más eficiente y robusta debido a sus fuertes efectos cuánticos.

«Esta protección de la luz puede ser 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 enfermedades complejas que prosperan en condiciones de alta oxidación».

El segundo efecto de la radiación ultravioleta en el cerebro se relaciona con la forma en que las neuronas transmiten señales. El modelo estándar de señalización nerviosa involucra iones que viajan a través de membranas desde un extremo de una célula nerviosa al otro, en un proceso químico que toma unos pocos milisegundos para cada señal. Pero los investigadores de neurociencia se han dado cuenta sólo recientemente de que esto no puede ser toda la historia.

La radiación ultrasónica en el cerebro ocurre en menos de un picosegundo, una milmillonésima de milisegundo. Estas redes de triptófano podrían actuar como fibras ópticas cuánticas, permitiendo al cerebro procesar información cientos de millones de veces más rápido de lo que permitirían los procesos químicos por sí solos.

«El grupo de Kurian y sus colegas han enriquecido nuestra comprensión del flujo de información en biología a nivel cuantitativo», dijo Michael Levine, director del Centro Tufts de Biología Regenerativa y del Desarrollo, que no participó en este 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 este método de procesamiento de señales e información podrían ser de gran relevancia para la biología evolutiva, física y computacional».

Información cuantitativa

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El aspecto teórico de este trabajo ha llamado la atención de los investigadores en el campo de la tecnología cuántica, porque la supervivencia de frágiles efectos cuánticos en un entorno “caótico” 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 en el campo de la tecnología cuántica que se sorprendieron al encontrar tal conexión en las ciencias biológicas.

«Estos nuevos resultados serán de interés para una gran comunidad de investigadores en sistemas cuánticos abiertos y computación cuántica, porque los métodos teóricos utilizados en este estudio se utilizan ampliamente en esos campos para comprender redes cuánticas complejas en entornos ruidosos», dijo el profesor Nicolo DiFino. . del Instituto Federal de Tecnología (ETH) de Zurich en Suiza, y es un investigador cuantitativo que no participó en el trabajo. «Es realmente interesante ver la conexión vital entre la computación cuántica y los sistemas vivos».

El trabajo también llamó la atención del físico cuántico Marlan Scali, pionero del láser en óptica cuántica y uno de los principales expertos en superradiación. «La superradiación de fotón único promete producir nuevas herramientas para almacenar información cuántica, y este trabajo presenta sus implicaciones en un contexto completamente nuevo y diferente», dijo Scully. «Ciertamente estudiaremos de cerca las implicaciones de los efectos cuánticos en los sistemas vivos en los próximos años».

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