Desvela los misterios de cómo funciona la vida

La biología cuántica explora cómo los efectos cuánticos afectan los procesos biológicos, lo que puede 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 este objetivo requiere un nuevo enfoque interdisciplinario de la investigación científica.

Imagina utilizar tu móvil para comprobar la actividad de tus propias células para curar heridas y enfermedades. Suena como algo salido de la imaginación de un escritor de ciencia ficción demasiado optimista. Pero esto algún día puede ser una posibilidad a través del 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 A Ingeniería genética. Sin embargo, la medida en que los efectos cuánticos afectan a los sistemas vivos sigue siendo poco conocida.

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 pequeños 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. Cosas que no esperarías que sucedieran en el mundo cuántico, como los electrones «túneles» a través diminutas barreras de energía y aparecer en el otro lado ileso, o estar en dos lugares diferentes al mismo tiempo en un fenómeno llamado superposición.

estoy capacitado como ingeniero cuántico. La investigación en mecánica cuántica suele estar 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 eventualmente podríamos controlar los procesos fisiológicos utilizando las propiedades cuánticas de la materia biológica.

La biología cuántica es probablemente real

Los investigadores pueden manipular los fenómenos cuánticos para construir 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 a la vez, pero eventualmente terminarán en un solo lugar.

En un sistema biológico complicado y ruidoso, se espera que la mayoría de los efectos cuánticos desaparezcan rápidamente, desvaneciéndose en lo que el físico Erwin Schrödinger llamó «ambiente celular cálido y húmedo.” Para la mayoría de los físicos, el hecho de que el mundo viviente opere a altas temperaturas y en ambientes complejos implica que la física clásica puede describir de manera adecuada y completa la biología: sin cruces extraños de barreras, sin estar en múltiples lugares a la vez.

Los químicos, sin embargo, hace tiempo que no están de acuerdo. La investigación sobre reacciones químicas básicas a temperatura ambiente lo demuestra de manera inequívoca. procesos que ocurren dentro de las biomoléculas cómo las proteínas y el material genético son el resultado de efectos cuánticos. Es importante destacar que estos efectos cuánticos nanoscópicos y de corta duración son consistentes con la conducción de algunos procesos fisiológicos macroscópicos que los biólogos han medido en células y organismos vivos. La investigación sugiere que los efectos cuánticos afectan las funciones biológicas, incluyendo regulación de la actividad enzimática, detección de campos magnéticos, Metabolismo celular Y transporte de electrones en biomoléculas.

Cómo estudiar biología cuántica

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

En mi trabajo, construyo herramientas 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 construí de la escuela de posgradoy ahora en mi laboratorio, mi objetivo es aplicar campos magnéticos personalizados para cambiar los espines de electrones particulares.

La investigación ha demostrado que muchos procesos fisiológicos se ven afectados por campos magnéticos débiles. Estos procesos incluyen desarrollo de células madre Y maduración, tasas de proliferación celular, reparación de material genético Y muchos otros. Estas respuestas fisiológicas a los campos magnéticos son consistentes con reacciones químicas que dependen del giro de electrones particulares dentro de las moléculas. Por lo tanto, la aplicación de un campo magnético débil para cambiar 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 al[{» 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.