Un día, estos sensores podrían realizar resonancias magnéticas a escala de células individuales o ayudar a los investigadores en el desarrollo de fármacos.
por Edd Gent
Los frágiles estados cuánticos podrían parecer incompatibles con el complejo mundo de la biología. Pero los investigadores han logrado que las células produzcan sensores cuánticos compuestos de proteínas.
Los estados cuánticos son increíblemente sensibles a los cambios en el entorno. Esto es un arma de doble filo. Por un lado, pueden detectar propiedades físicas con una precisión sin precedentes . Al mismo tiempo, son extremadamente delicados y difíciles de manipular.
Esta sensibilidad dificulta la creación de sensores cuánticos que funcionen en sistemas vivos, cálidos, bioquímicamente activos y en constante movimiento. Los científicos han intentado integrar diversos tipos de sensores cuánticos sintéticos en la biología, pero se han encontrado con problemas de focalización, eficiencia y durabilidad.
Ahora, un equipo de la Universidad de Chicago afirma haber reutilizado proteínas fluorescentes utilizadas para la obtención de imágenes biológicas y las ha convertido en sensores cuánticos que operan dentro de las células. Estas proteínas pueden codificarse en el ADN para que las células produzcan los sensores por sí mismas, lo que permite que los dispositivos se dirijan a estructuras subcelulares.
“Nuestros hallazgos no solo permiten nuevas formas de detección cuántica dentro de los sistemas vivos, sino que también introducen un enfoque radicalmente diferente para el diseño de materiales cuánticos”, dijo Peter Maurer de la Universidad de Chicago, quien ayudó a dirigir la investigación, en un comunicado de prensa .
“Ahora podemos empezar a utilizar las propias herramientas de evolución y autoensamblaje de la naturaleza para superar algunos de los obstáculos que enfrenta la actual tecnología cuántica basada en el espín”.
Las proteínas fluorescentes ya se utilizan ampliamente en la obtención de imágenes biológicas. Pueden etiquetarse en proteínas diana para obtener una lectura óptica de dónde se expresa dicha proteína en la célula. En un artículo publicado en Nature , los investigadores señalan que ya se sabía que muchas de estas proteínas presentan un estado cuántico llamado estado triplete, pero nadie había intentado convertirlas en sensores cuánticos.
Los investigadores se dieron cuenta de que este estado triplete podía usarse como un cúbit para almacenar información cuántica. Más importante aún, el estado podía leerse ópticamente con un microscopio especial. Estos cúbits podrían medir, potencialmente, aspectos como los campos magnéticos y eléctricos en el interior de las células.
“En lugar de tomar un sensor cuántico convencional e intentar camuflarlo para ingresar a un sistema biológico, queríamos explorar la idea de usar un sistema biológico en sí mismo y desarrollarlo en un qubit”, dijo David Awschalom de la Universidad de Chicago, quien ayudó a dirigir la investigación.
En su estudio, los investigadores se centraron en una proteína fluorescente amarilla específica. Tras confirmar que podían leer su estado cuántico a temperaturas extremadamente frías, demostraron que también podían realizar lecturas cuando la proteína se expresaba en células de mamíferos.
En el futuro, un sensor cuántico de este tipo podría realizar imágenes por resonancia magnética (IRM) a escala de células individuales. Esto podría permitir revelar la estructura atómica de la maquinaria celular o incluso investigar cómo se unen los fármacos a proteínas específicas dentro de la célula. En una prueba similar, los investigadores expresaron la proteína fluorescente en células bacterianas y demostraron que podría utilizarse para detectar la presencia o ausencia de un campo magnético.
Convertirlo en una plataforma de detección cuántica utilizable requeriría mejoras significativas en estabilidad y sensibilidad, según los investigadores, así como nuevas técnicas de detección cuántica. Aun así, tiene el potencial de proporcionar una nueva y poderosa perspectiva para el estudio de la biología.
“Mediante la microscopía de fluorescencia, los científicos pueden observar los procesos biológicos, pero deben inferir lo que ocurre a escala nanométrica”, afirma Benjamin Soloway, de la Universidad de Chicago, uno de los autores principales del nuevo artículo. “Ahora, por primera vez, podemos medir directamente las propiedades cuánticas dentro de los sistemas vivos”.
Edd es un escritor independiente de ciencia y tecnología radicado en Bangalore, India. Sus principales áreas de interés son la ingeniería, la informática y la biología, con especial atención a las intersecciones entre estas tres.