La Importancia de La Biología Cuántica en La Ciencia y La Tecnología
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La Importancia de La Biología Cuántica en La Ciencia y La Tecnología

Maia Mulko
Maia Mulko

La biología cuántica es un área de estudio que investiga las aplicaciones de la mecánica cuántica en los procesos biológicos. Aunque sus orígenes se remontan a la década de 1930, se considera un campo interdisciplinario relativamente nuevo, con la capacidad de explicar los fenómenos de las células vivas a través de efectos cuánticos no triviales. ¿Puede la tecnología aprender algo de ellos?

¿Qué es la biología cuántica?

La biología cuántica se pregunta, específicamente, cómo los efectos cuánticos no triviales repercuten en los procesos biológicos de los organismos vivos que los contienen.

Los efectos cuánticos no triviales que le competen son:

Efecto túnel: En la mecánica clásica, si pateamos una pelota contra la pared, rebotaría porque la energía de sus partículas es menor que la de la barrera. Pero en la mecánica cuántica, los electrones tienen un carácter ondulatorio y pueden emitir una función de onda capaz de atravesar una barrera de potencial más allá de la energía de sus partículas. Esto es lo que se conoce como el efecto túnel.

Superposición cuántica: Dos estados cuánticos pueden superponerse para generar un tercero. El ejemplo más claro de esto está en la informática cuántica. A diferencia del bit de la informática clásica, que sólo puede tener el valor 1 o 0, el cúbit de la informática cuántica puede tener ambos valores al mismo tiempo.

Coherencia cuántica: En física, la coherencia es una propiedad de las ondas que permite la interferencia estacionaria. Para ello, es necesario que las ondas mantengan una forma y una frecuencia idéntica entre sí.

La coherencia cuántica sucede cuando la superposición cuántica se mantiene estable; como si esas ondas interfirieran las unas con las otras hasta formar una tercera onda, un tercer estado en este caso, que es una superposición de los dos estados anteriores. Si esto deja de darse, se habla de decoherencia cuántica, lo cual implica que el estado físico cuántico se convierta en un estado físico clásico.

Entrelazamiento cuántico: También se relaciona con la superposición, sólo que en el entrelazamiento cuántico, las partículas comparten sus estados superpuestos hasta el punto en que pierden la independencia e individualidad, formando un todo inseparable (mientras no caigan en la decoherencia). Este fenómeno puede ocurrir aunque las partículas se encuentren a gran distancia las unas de las otras.

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Aplicaciones de la Biología Cuántica

La biología cuántica ha utilizado el efecto túnel para explicar la catálisis enzimática. En este proceso, los electrones en el interior de las enzimas actúan como catalizadores para generar reacciones entre compuestos orgánicos, pero los expertos estaban interesados en saber cómo. En 1989, un estudio de la Universidad de California en Berkeley señaló que durante la catálisis de la oxidación del alcohol bencílico, la transferencia de hidrógeno ocurría con el efecto del túnel cuántico. Más allá de los cuestionamientos, en la actualidad esta teoría cuenta con aceptación general.

En el estudio de las plantas, la biología cuántica desentrañó la efectividad de la fotosíntesis de la siguiente manera: cuando un fotón excita a un electrón en una molécula de clorofila, forma un excitón, una cuasipartícula que contiene tanto al electrón como al hueco de electrón que dicho movimiento produce. El excitón va hasta el centro de reacción fotosintética con una transferencia energética tan perfecta que sólo puede ser explicada en términos cuánticos, pues explora todos los caminos posibles de manera simultánea antes de elegir el más eficiente, lo que requiere superposición cuántica.

La biología cuántica también fue aplicada en el estudio de la magnetorrecepción, es decir, la habilidad de algunos animales de detectar los campos magnéticos terrestres (fundamental para la orientación). Se cree que la magnetorrecepción funciona a través de una proteína sensible a la luz llamada criptocromo, que se encuentra en la retina de las aves y otras especies. Las reacciones producidas en esta proteína generan radicales libres (electrones que circulan solos en una molécula, desapareados entre sí). Pero mediante entrelazamiento cuántico, estos electrones pueden alinearse de forma distinta de acuerdo con el campo magnético. Esta reacción se transmite al cerebro de los animales.

Otro sentido que parece estar atravesado por fenómenos cuánticos es el olfato. Los trabajos de Malcolm Dyson (en 1938) y el biofísico Luca Turín (en 1996) indican que los receptores de proteínas G perciben los olores a través de las distintas frecuencias vibratorias de las moléculas químicas que los producen. Estas moléculas se unen a los receptores, estableciendo un puente para que los electrones copen toda la proteína mediante el efecto túnel de electrones, combinado con una cuasipartícula de propiedades vibratorias llamada fonón.

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Pero quizá el aporte reciente más importante de la biología cuántica es aquel que vincula el efecto túnel de los protones con las mutaciones de ADN (que implican la desaparición de un protón que después reaparece en un lugar adyacente al otro lado de la barrera de potencial, en este caso, una base nitrogenada). Esto puede contribuir a la comprensión de las enfermedades ocasionadas por estas mutaciones, por qué se producen, cómo evitarlas; pero también podría servir para la detección temprana del cáncer.

Mursla es una de las startups interesadas en esto último. Particularmente, apuntan a comercializar en un futuro cercano productos basados en biología cuántica, más entre el público común que en el especializado, con fines diagnósticos. Considerando que los tumores se anuncian primero a nivel proteínico en la sangre, los científicos de Mursla quieren emplear una tecnología capaz de escanear las proteínas de una gota de sangre buscando indicios de cáncer.

Esto no sería posible sin la biología cuántica, que está cambiando la forma en que los expertos ven las biomoléculas, el comportamiento cuántico-mecánico que las rodean y lo que podemos llegar a hacer con toda esta información nueva.

El físico teórico Jim Al-Khalili, uno de los investigadores de la incidencia de los efectos cuánticos en las mutaciones genéticas, piensa que los efectos cuánticos no triviales que interesan a la biología cuántica podrían contribuir en el desarrollo de nuevos instrumentos, técnicas o sensores. Algunas de estas nuevas tecnologías cuánticas podrían aplicarse en la biología sintética, encontrando así en la biología cuántica un puente entre ambas áreas. Otras podrían revolucionar las energías renovables, por ejemplo, produciendo nuevos tipos de celdas fotovoltaicas, pronostica Al-Khalili.

Sea como sea, la biología cuántica está en su infancia, y las posibilidades, por el momento, son infinitas.

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