Las proteínas impulsan la coherencia cuántica en las bacterias

Una nueva teoría de cómo la fotosíntesis de las plantas implica la coherencia cuántica ha sido sugerido por físicos en el Reino Unido, Alemania y España. Esta última investigación se basa en el estudio de organismos que viven en el fondo del mar y sin embargo, son capaces de convertir la luz solar en energía. El estudio sugiere que las vibraciones moleculares no destruyen la coherencia -como se pensaba anteriormente- sino que la perpetúan e incluso la regeneran. El descubrimiento proporciona una mejor comprensión de cómo el 99% de la energía de la luz absorbida por las células de la fotosíntesis es transferida con éxito a ubicaciones en las células donde convierte la energía eléctrica en energía química. El trabajo abre la posibilidad a utilizar diseños inspirados en la naturaleza en dispositivos cuánticos.

Hasta hace poco, se pensaba que los sistemas vivos eran “demasiado húmedos y cálidos” para las propiedades cuánticas delicadas como el entrelazamiento y la coherencia. El problema es que estas propiedades decaen rápidamente a través de interacciones aleatorias con el mundo exterior, como la vibración de las moléculas. Sin embargo, durante la última década, los físicos han comenzado a sospechar que las propiedades cuánticas desempeñan un papel importante en los procesos bioquímicos; incluyendo la fotosíntesis.

Este último trabajo fue realizado por Alex Chin (ahora en la Universidad de Cambridge) y sus colegas del Instituto de Física Teórica de Ulm y la Universidad Politécnica de Cartagena. El equipo analizó organismos llamados bacterias verdes del azufre que viven a 2000 metros de la superficie del océano. Allí abajo, hay tan poca luz solar que las bacterias no pueden darse el lujo de perder un solo fotón; de hecho, casi el 100% de la luz que absorben se convierte en alimento.

Cuando la luz solar incide sobre la superficie de la planta, la energía se transfiere a través de las cadenas de pigmentos a un centro de reacción, donde se convierte en energía química. Esos pigmentos se mantiene en su lugar por las proteínas, que juntas crean pigmentos-proteína complejos, o fotocopiadoras. Las fotocopiadoras actúan efectivamente como pasillos y la energía se desplaza en forma de estados excitados moleculares, o excitones moleculares. Estos excitones son capaces de moverse a lo largo de la PPC mediante el salto de una molécula a la siguiente.

En 2007 Graham Fleming y sus colegas en los EE.UU. mostraron que estos excitones exhibían coherencia cuántica, lo que significa que los excitones pueden existir simultáneamente en una superposición de varios estados cuánticos con diferentes probabilidades. La coherencia también permite que el excitón explore vías múltiples para la reacción simultáneamente, en última instancia, para la elección de la opción más rápida y eficiente. Como se demuestra en las células solares (que también dependen de excitones), el viaje dura más tiempo y lo más probable es que la energía se disipe antes de que llegue a su destino.

La presencia de efectos cuánticos en la fotosíntesis sorprendió tanto a los físicos como a biólogos y les hizo preguntarse cómo un frágil estado cuántico podría sobrevivir en un organismo vivo. Más específicamente, los grupos de investigación descubrieron que los estados coherentes existen en el tiempo 100 veces más que los estados de energía de un excitón. Algo estaba ayudando a estos estados de onda a sobrevivir el tiempo suficiente para garantizar el paso seguro de casi el 100% de la energía de los fotones que los organismos han absorbido.

Esta última investigación sugiere que la respuesta se encuentra en las proteínas de las fotocopiadoras, que proporcionan apoyo estructural a las moléculas del pigmento. Los nuevos cálculos muestran que estas proteínas son participantes más activos en el sistema de transporte de lo que se pensaba previamente. Las frecuencias naturales de vibración de las proteínas resuenan con las ondas del excitón, y como un padre empuja a un niño en un columpio, las estructuras de las proteínas mantienen los excitones oscilantes sin amortiguación. De hecho, el excitón puede pasar su vibración a las estructuras de las proteínas, que después las devuelven al excitón, restaurando así su coherencia.

“No se ha visto esta estructura de proteína como algo que ayuda activamente a un fenómeno cuántico que tengá lugar en sistemas biológicos”, dice el miembro del equipo Martin Plenio.“Esto es realmente una nueva forma de pensar acerca de ello.”

Las conclusiones del equipo provienen de un análisis preciso de vibraciones de proteínas, utilizando datos de Markus Wendling y sus colegas en los Países Bajos, que en 2000 examinaron las estructuras de PPC de las bacterias verdes del azufre. Los esfuerzos previos para estudiar las vibraciones de proteínas utilizado aproximaciones fueron menos sutiles y por lo general llegaron a la conclusión de que las vibraciones eran ruido.

“La principal diferencia en términos del paradigma de hacer esta simulación fue no separar el sistema en el excitón del medio ambiente, sino tratar a todos juntos como un gran sistema de muchos cuerpos”, dice Chin. “Hemos tomado un enfoque completamente integral. Esto hace que sea muy complicado en términos de variables, lo que significa que computacionalmente es muy difícil”.

La comprensión de estas estructuras de proteínas podría ayudar en la construcción de estructuras similares en dispositivos cuánticos. Si las estructuras similares se utilizan en la conversión de energía eléctrica en energía química,  podría arrojar luz sobre la forma de imitar las altas tasas de eficiencia en la fotosíntesis hechas por el hombre en células solares.

Greg Scholes de la Universidad de Toronto en Canadá elogia el análisis detallado realizado por el equipo, y dice que la conclusión “se ajusta con algunas de las piezas del rompecabezas que han ido apareciendo en los experimentos más recientes”.

Mientras Scholes cree que el análisis es “prueba suficiente de la idea, en principio”, advierte que tendrán que hacerse experimentos directos para confirmar las conclusiones. “Desde la perspectiva de este trabajo realmente aporta algo importante. Porque nos da una hipótesis, y ahora podemos tratar de probarlo“, concluye.

El estudio se describe en Nature Physics

Autor: Calla Cofield

Enlace original: Proteins boost quantum coherence in bacteria