Un fenómeno cuántico en proteínas ayuda a comprender su funcionamiento
Se sabe que la información dentro de las células se transmite a través de reacciones biomoleculares, sobre todo entre proteínas. Sin embargo, aún no se conoce el mecanismo exacto. La explicación más habitual en biología sostiene que el proceso está determinado por fuerzas, principalmente electrostáticas, que ayudan a las células a organizarse y coordinar sus funciones. Según esta teoría la información se transmite cuando las reacciones químicas se propagan de un lugar a otro, impulsadas por el movimiento aleatorio de las moléculas o (movimiento browniano)(se abrirá en una nueva ventana). «Así las cosas, este mecanismo no permite explicar por sí solo la enorme eficiencia de estas reacciones en las células vivas, por lo que existe una diferencia de unos cuatro órdenes de magnitud entre lo que predice este modelo y lo que se recoge en la bibliografía. Debe de intervenir algún otro factor», comenta Jeremie Torres, coordinador del proyecto LINkS(se abrirá en una nueva ventana). En LINkS se estudió un aspecto de la dinámica celular conocido como «interacciones electrodinámicas de largo alcance» (LEDI), con el fin de explicar cómo las moléculas adecuadas se encuentran en el momento y el lugar precisos para dar lugar a reacciones bioquímicas de una eficiencia notable. «Demostramos estas interacciones son reales(se abrirá en una nueva ventana); un descubrimiento científico importante que pone en entredicho supuestos muy arraigados de la biología molecular», agrega Torres, del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia(se abrirá en una nueva ventana), entidad anfitriona del proyecto.
Un biosensor de laboratorio en un chip pionero
Las biomoléculas grandes, como las proteínas, presentan modos vibracionales. Cuando un conjunto de ellas vibra a la misma frecuencia, se generan fuerzas electrodinámicas que originan interacciones celulares (LEDI: Long-Range Electrodynamic Interactions). Torres comenta: «En los años sesenta del siglo pasado, H. Fröhlich planteó la teoría de que las LEDI surgen cuando la energía de todos los modos normales de una proteína se canaliza hacia el modo de menor energía, lo que da lugar a lo que él denominó “condensación”. Partiendo de nuestro trabajo anterior, LINkS nos ayudó a demostrar mejor este fenómeno». Hasta ahora, la detección de las LEDI había resultado difícil, ya que sus vibraciones colectivas de las proteínas se detectan en la frecuencia más baja del rango de los terahercios (THz), pero la espectroscopia de THz presenta dificultades en los medios acuosos propios de las células. Para solucionar esta limitación, el equipo de LINkS desarrolló un innovador biosensor de THz de tipo laboratorio en un chip, con una configuración capaz de superar, dentro de ciertos límites, la absorción de agua. La espectroscopia de THz(se abrirá en una nueva ventana) se complementa con la dispersión de rayos X de angulo pequeño(se abrirá en una nueva ventana) y la espectroscopia de correlación de fluorescencia(se abrirá en una nueva ventana). Tras estudiar las proteínas con el biosensor, los resultados se compararon con modelos teóricos de electrodinámica cuántica desarrollados por los socios del proyecto. «Obtuvimos las primeras pruebas experimentales que respaldan el modelo de Fröhlich, según el cual las proteínas pueden mantener vibraciones colectivas, los condensados de Fröhlich, cuando reciben un aporte de energía», señala Torres. El equipo identificó y probó distintas fuentes de energía, entre ellas procesos activados por la luz, basados en el acoplamiento excitón-fonón, y la energía térmica. Los ensayos revelaron la importancia del entorno inmediato de las proteínas, como las capas de agua circundantes. «Estos resultados ofrecen nuevas perspectivas para comprender cómo https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv0346 (se transfiere la energía dentro y entre proteínas)», agrega Torres. «También descubrimos un nuevo tipo de partícula cuántica híbrida, o polaritón, formada por interacciones fuertes entre la luz y las oscilaciones colectivas de las proteínas. Se trata de un hallazgo relevante porque conecta la física y la biología».
Terapias dirigidas y avances en biología cuántica
Los resultados de LINkS, considerados las primeras pruebas experimentales de fenómenos de escala cuántica en proteínas, podrían tener aplicaciones en distintos ámbitos. «Comprender cómo influyen los campos electromagnéticos en los organismos vivos podría abrir nuevas líneas de investigación en medicina y biología. Si logramos determinar la firma específica de las proteínas, podríamos llegar a modificar su función y su interacción con otros compuestos químicos celulares, https://cordis.europa.eu/article/id/415452-innovative-quantum-chemical-software-accelerates-drug-research/es (por ejemplo, para mejorar la eficacia de fármacos)», concluye Torres. Aunque esta línea de trabajo ya está en marcha, el equipo también estudia el alcance de estos hallazgos a escala cuántica. En particular, investiga si la duración de los estados de oscilación colectiva, tanto en el tiempo como en fase, puede intervenir en funciones biológicas como la fotosíntesis.
