La biología cuántica explora cómo los efectos cuánticos influyen en los procesos biológicos, lo que podría conducir a avances en medicina y biotecnología. A pesar de la suposición de que los efectos cuánticos desaparecen rápidamente en los sistemas biológicos, la investigación sugiere que estos efectos juegan un papel clave en los procesos fisiológicos. Esto abre la posibilidad de manipular estos procesos para crear dispositivos terapéuticos no invasivos controlados a distancia. Sin embargo, lograr esto requiere un nuevo enfoque interdisciplinario de la investigación científica.

Imagine usar su teléfono celular para monitorear la actividad de sus propias células para tratar lesiones y enfermedades. Suena como algo salido de la imaginación de un escritor de ciencia ficción demasiado optimista. Pero eso podría algún día ser una posibilidad gracias al campo emergente de la biología cuántica.

En las últimas décadas, los científicos han logrado avances increíbles en la comprensión y manipulación de sistemas biológicos a escalas cada vez más pequeñas, desde plegamiento de proteínas para Ingeniería genética. Y, sin embargo, apenas se comprende hasta qué punto los efectos cuánticos influyen en los sistemas vivos.

Los efectos cuánticos son fenómenos que ocurren entre átomos y moléculas que no pueden ser explicados por la física clásica. Se sabe desde hace más de un siglo que las reglas de la mecánica clásica, como las leyes del movimiento de Newton, descomponerse a escala atómica. En cambio, los objetos diminutos se comportan de acuerdo con un conjunto diferente de leyes conocidas como Mecánica cuántica.

La mecánica cuántica describe las propiedades de los átomos y las moléculas.

Para los humanos, que solo pueden percibir el mundo macroscópico, o lo que es visible a simple vista, la mecánica cuántica puede parecer contraria a la intuición y algo mágica. En el mundo cuántico están sucediendo cosas que no esperarías, como electrones «túneles» a través de diminutas barreras de energía y aparecer ileso en el otro lado, o estar en dos lugares diferentes al mismo tiempo en uno fenómeno llamado superposición.

estoy entrenado como ingeniero cuántico. La investigación en mecánica cuántica está generalmente orientada a la tecnología. Sin embargo, y algo sorprendente, cada vez hay más pruebas de que la naturaleza, una ingeniera con miles de millones de años de práctica, ha aprendido a utilizar la mecánica cuántica para trabajar de manera óptima. Si esto es cierto, significa que nuestra comprensión de la biología es radicalmente incompleta. También significa que posiblemente podríamos controlar los procesos fisiológicos utilizando las propiedades cuánticas de la materia biológica.

El quantismo en biología es probablemente real

Los investigadores pueden manipular los fenómenos cuánticos para crear una mejor tecnología. De hecho, ya vives en un mundo de la energía cuántica: desde punteros láser hasta[{» attribute=»»>GPS, magnetic resonance imaging and the transistors in your computer – all these technologies rely on quantum effects.

In general, quantum effects only manifest at very small length and mass scales, or when temperatures approach absolute zero. This is because quantum objects like atoms and molecules lose their “quantumness” when they uncontrollably interact with each other and their environment. In other words, a macroscopic collection of quantum objects is better described by the laws of classical mechanics. Everything that starts quantum dies classical. For example, an electron can be manipulated to be in two places at the same time, but it will end up in only one place after a short while – exactly what would be expected classically.

Los electrones pueden estar en dos lugares al mismo tiempo, pero eventualmente terminarán en un solo lugar.

En un sistema biológico complicado y ruidoso, por lo tanto, se espera que la mayoría de los efectos cuánticos se desvanezcan rápidamente, barridos en lo que el físico Erwin Schrödinger llamó el “ambiente cálido y húmedo de la célula.” Para la mayoría de los físicos, el hecho de que el mundo viviente opere a altas temperaturas y en entornos complejos implica que la física clásica puede describir de manera adecuada y completa la biología: sin cruce de barreras funky, sin presencia simultánea en varios lugares.

Los químicos, sin embargo, han suplicado durante mucho tiempo estar en desacuerdo. La investigación sobre reacciones químicas básicas a temperatura ambiente muestra sin ambigüedades que proceso que ocurre dentro de las biomoléculas como las proteínas y el material genético son el resultado de efectos cuánticos. Es importante destacar que estos efectos cuánticos nanoscópicos de corta duración son consistentes con la conducción de ciertos procesos fisiológicos macroscópicos que los biólogos han medido en células y organismos vivos. La investigación sugiere que los efectos cuánticos influyen en las funciones biológicas, incluyendo regulación de la actividad enzimática, detectar campos magnéticos, Metabolismo celular Y transporte de electrones en biomoléculas.

Cómo estudiar biología cuántica

La tentadora posibilidad de que los efectos cuánticos sutiles puedan alterar los procesos biológicos presenta una frontera emocionante y un desafío para los científicos. Estudiar los efectos de la mecánica cuántica en biología requiere herramientas capaces de medir escalas de tiempo cortas, escalas de longitud pequeñas y diferencias sutiles en los estados cuánticos que dan lugar a cambios fisiológicos, todo integrado en un entorno de laboratorio húmedo tradicional.

En mi trabajo, construyo instrumentos para estudiar y controlar las propiedades cuánticas de cosas pequeñas como los electrones. Así como los electrones tienen masa y carga, también tienen propiedad cuántica llamada espín. El espín define cómo interactúan los electrones con un campo magnético, de la misma manera que la carga define cómo interactúan los electrones con un campo eléctrico. Los experimentos cuánticos que he construido desde la escuela de doctoradoy ahora en mi propio laboratorio, pretendo aplicar campos magnéticos hechos a medida para alterar espines de electrones particulares.

La investigación ha demostrado que muchos procesos fisiológicos están influenciados por campos magnéticos débiles. Estos procesos incluyen desarrollo de células madre Y maduración, tasa de proliferación celular, reparación de material genético Y muchos otros. Estas respuestas fisiológicas a los campos magnéticos son consistentes con las reacciones químicas que dependen del giro de electrones particulares en las moléculas. La aplicación de un campo magnético débil para alterar los espines de los electrones puede controlar eficazmente los productos finales de una reacción química, con importantes consecuencias fisiológicas.

Las aves usan efectos cuánticos en la navegación.

Actualmente, la falta de comprensión de cómo funcionan estos procesos en[{» attribute=»»>nanoscale level prevents researchers from determining exactly what strength and frequency of magnetic fields cause specific chemical reactions in cells. Current cellphone, wearable and miniaturization technologies are already sufficient to produce tailored, weak magnetic fields that change physiology, both for good and for bad. The missing piece of the puzzle is, hence, a “deterministic codebook” of how to map quantum causes to physiological outcomes.

In the future, fine-tuning nature’s quantum properties could enable researchers to develop therapeutic devices that are noninvasive, remotely controlled and accessible with a mobile phone. Electromagnetic treatments could potentially be used to prevent and treat disease, such as brain tumors, as well as in biomanufacturing, such as increasing lab-grown meat production.

A whole new way of doing science

Quantum biology is one of the most interdisciplinary fields to ever emerge. How do you build community and train scientists to work in this area?

Since the pandemic, my lab at the University of California, Los Angeles and the University of Surrey’s Quantum Biology Doctoral Training Centre have organized Big Quantum Biology meetings to provide an informal weekly forum for researchers to meet and share their expertise in fields like mainstream quantum physics, biophysics, medicine, chemistry and biology.

Research with potentially transformative implications for biology, medicine and the physical sciences will require working within an equally transformative model of collaboration. Working in one unified lab would allow scientists from disciplines that take very different approaches to research to conduct experiments that meet the breadth of quantum biology from the quantum to the molecular, the cellular and the organismal.

The existence of quantum biology as a discipline implies that traditional understanding of life processes is incomplete. Further research will lead to new insights into the age-old question of what life is, how it can be controlled and how to learn with nature to build better quantum technologies.

Written by Clarice D. Aiello, Quantum Biology Tech (QuBiT) Lab, Assistant Professor of Electrical and Computer Engineering, University of California, Los Angeles.

This article was first published in The Conversation.