Aunque no lo crea, la biología cuántica es el pan de cada día

CIENCIA · 5 JULIO, 2022 05:27

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«Verde es el color principal del mundo, y a partir del cual surge su hermosura» es frase atribuida al poeta español Pedro Calderón de la Barca (1600-1681). No sabía el bardo cuánto, además de hermosura, le debemos los seres vivos a ese color en las hojas que conforman la biomasa vegetal del planeta. Verdes son las hojas por la clorofila, el pigmento que mayoritariamente absorbe la energía lumínica del sol, la transforma en energía química y hace posible la transformación de materia inorgánica en orgánica, en un proceso llamado fotosíntesis, del cual depende la vida en el planeta. 

Simplificando un proceso complicado, podemos decir que una vez atrapada la energía del sol en energía química, con el auxilio de fotones, se generan reacciones que finalmente conducen a la síntesis de derivados de carbono en forma de azúcares (materia orgánica), indispensables en la constitución de cualquier ser vivo, a partir del anhídrido carbónico (CO2), materia inorgánica que existe abundantemente en la atmósfera. Cada año los organismos fotosintetizadores fijan en forma de materia orgánica en torno a 100 mil millones de toneladas de carbono (3 mil toneladas de carbono por segundo, aproximadamente). Con ello aseguran la perpetuación de la vida en el planeta; sin ese proceso no existiría vida.

Ahora bien, desde hace algunas décadas la fotosíntesis y otros fenómenos de la naturaleza están siendo observados desde un ángulo nuevo y promisorio, en el cual gobiernos y empresas privadas están invirtiendo sumas ingentes de dinero, como veremos más adelante: la biología cuántica. Al respecto, converso con Vladimiro Mujica, científico venezolano en la Arizona State University, Estados Unidos, quien recientemente ha recibido una importante subvención para financiar un proyecto en biología cuántica que apunta a estudiar los mecanismos fundamentales que influyen sobre el movimiento de electrones en moléculas biológicas.

¿Qué es biología cuántica? ¿Con qué se come eso? ¿Para qué nos sirve? Son preguntas que lanzo a Vladimiro en aras de valorar la importancia de su proyecto, así como el impacto de la biología cuántica y sus aplicaciones en la vida diaria de todos nosotros.

Para hablar de biología cuántica -me dice- primero debemos definir quantum (cantidad mínima de energía que puede ser absorbida, propagada o emitida por la materia) y física cuántica, la física que explica la naturaleza de las partículas atómicas y subatómicas (protones, neutrones, electrones). Es la ciencia de lo más pequeño. Cómo estas partículas trabajan e interactúan es el tema de la mecánica cuántica. Sobre esta ciencia está montado el mundo de las computadoras, lasers, transcriptores, microscopía electrónica, imágenes por resonancia magnética, fibras ópticas, telecomunicaciones, entre otras aplicaciones.

La biología cuántica, por su parte, es un área que si bien dio unos pocos pasos en los años 20 del siglo pasado, es ahora cuando toma impulso, una vez conocidas en mejor detalle las estructuras celulares y las reacciones químicas que se producen en ellas. La biología cuántica es entonces el estudio de las aplicaciones de la mecánica cuántica y de la química a organismos vivos, en procesos que no pueden ser descritos adecuadamente por las leyes de la física clásica y bajo el criterio de que, constituidos por moléculas, también estarán sometidos a las leyes de la materia. Así, por ejemplo, los procesos de conversión de energía luminosa en energía química y las transformaciones subsiguientes del proceso fotosintético al que ya nos referimos en párrafo anterior, son de naturaleza cuántica. Consecuencia directa de dichas investigaciones son, por ejemplo, las aplicaciones derivadas en complejos fotosintéticos, todavía en etapa preliminar, que podrían conducir a prototipos de tecnologías de energías verdes en celdas solares, con miras a paliar los perniciosos efectos del cambio climático.

Otro ejemplo viene de las enzimas. Ellas son biomoléculas (proteínas) que aceleran la velocidad de las reacciones químicas en las células vivas y aseguran la sobrevivencia de los organismos. Así, por ejemplo, la lipasa digiere las grasas y la tripsina, las proteínas; dos ejemplos entre miles. Por otro lado, la carencia o existencia defectuosa de ciertas enzimas pueden dar lugar a defectos congénitos del metabolismo. Por ejemplo, el mal funcionamiento de la fenilalanina hidroxilasa, inducido por una mutación en el gen correspondiente, hace que bebés con fenilcetonuria sufran de retardo mental, si no son tratados adecuadamente.

Mutaciones como ésta surgen de errores en la replicación del ADN. A todos nos es familiar la imagen entorchada de doble cadena que constituye el ADN de todos los seres vivos, moléculas que contienen información genética y la transmiten de una generación a otra, en un proceso fiel de replicación. En el ADN hay enlaces químicos que forman el cuerpo de la “escalera”, los cuales se mantienen juntos por medio de “peldaños” donde hay uniones de hidrógeno.  En ciertas condiciones y por efectos cuánticos, los hidrógenos pueden ubicarse en la cadena equivocada al comenzar el proceso replicativo, lo que lleva a mutaciones puntuales en el ADN, de gran influencia en los procesos evolutivos y metabólicos. Tener un mayor entendimiento de este proceso tiene el potencial, a largo plazo, de estar en condiciones de estudiar soluciones a problemas biomédicos por medio de aplicaciones de la biología cuántica.

En áreas biomédicas hay tres ramas especialmente relevantes para el futuro de la medicina, la biología y la genética: la computación, la simulación y la óptica cuánticas. El dominio de esos procesos es esencial para el desarrollo de técnicas que permitan detectar órganos dañados o tumores y manipularlos a nivel molecular con alta precisión y de manera inocua. Con la capacidad exponencialmente mayor de la computación cuántica, los expertos tratan de simular con computadoras el efecto de diferentes compuestos químicos sobre organismos a nivel molecular y diseñar nuevos medicamentos de manera más rápida y barata.

Prueba de lo prometedor de estas tecnologías son las inversiones y alianzas que ya se están formando en el sector privado para el desarrollo de estas técnicas. Un ejemplo es la colaboración iniciada en 2017 entre la consultora internacional Accenture, la compañía de software cuántico 1Qbit y la firma de biotecnología Biogen para diseñar la primera aplicación cuántica capaz de desarrollar soluciones médicas a problemas como la esclerosis múltiple, el Alzheimer, el Parkinson o la enfermedad de Lou Gehrig.

La promesa de esta nueva era tecnológica también constituye una gran oportunidad que las principales potencias mundiales no desaprovechan, al punto de que se ha establecido una suerte de competencia entre ellas por invertir fortunas en el mundo cuántico, como llave para el progreso en el siglo XXI. Japón está invirtiendo US$ 700 millones en tecnologías cuánticas y ha creado el Instituto de Ciencias Médicas Cuánticas, que apunta a investigar mecanismos de enfermedades como cáncer o Alzheimer, entre diversos proyectos. China ha implementado un programa nacional para investigación y desarrollo de tecnologías cuánticas, respaldado con un aporte de 10 mil millones de dólares; igualmente han hecho la Unión Europea y los Estados Unidos con presupuestos por encima de mil millones de dólares cada uno. Se calcula que en todo el mundo, en estos momentos están invertidos más de US$ 30 mil millones para respaldar investigaciones y aplicaciones derivadas del mundo cuántico, con proyección a US$ 42,4 mil millones en 2027. De manera que no hay duda, el mundo cuántico ya no nos es ajeno. Está aquí para beneficio de la humanidad, si sabemos utilizarlo.

Muy a nuestro pesar, en América Latina y el Caribe el universo cuántico no ha logrado arrancar con el impulso de otras regiones, salvo algunas iniciativas puntuales de investigación, desarrollo e innovación, que si bien son de alabar, no satisfacen los esfuerzos que deben hacerse para enfrentar el mundo de hoy, mucho menos el mañana.

Todos estos desarrollos tecnológicos se basan en aplicación de conocimientos fundamentales obtenidos laboriosamente en los laboratorios de investigación científica. Ha sido la ciencia, ciencia costosa, imprescindible e impredecible, la que ha aportado los grandes resultados que han abierto nuevos campos para el progreso del ser humano y de las sociedades en las que nos desenvolvemos. Es a eso a lo que debemos apostar: ciencia y tecnología para el desarrollo a mediano y largo plazo. La era cuántica ya está entre nosotros, no es ciencia ficción. Será nuestra responsabilidad convertirla en una oportunidad de progreso para nuestros pueblos.


 

*Gioconda Cunto de San Blas es Ph.D. Bioquímica, Universidad Heriot-Watt, Edimburgo, UK y Lic. Química, UCV. Investigadora Emérita del Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC) e Individuo de Número de la Academia de Ciencias Físicas, Matemáticas y Naturales (Acfiman).

CIENCIA · 16 AGOSTO, 2022

Aunque no lo crea, la biología cuántica es el pan de cada día

Texto por Gioconda Cunto de San Blas

«Verde es el color principal del mundo, y a partir del cual surge su hermosura» es frase atribuida al poeta español Pedro Calderón de la Barca (1600-1681). No sabía el bardo cuánto, además de hermosura, le debemos los seres vivos a ese color en las hojas que conforman la biomasa vegetal del planeta. Verdes son las hojas por la clorofila, el pigmento que mayoritariamente absorbe la energía lumínica del sol, la transforma en energía química y hace posible la transformación de materia inorgánica en orgánica, en un proceso llamado fotosíntesis, del cual depende la vida en el planeta. 

Simplificando un proceso complicado, podemos decir que una vez atrapada la energía del sol en energía química, con el auxilio de fotones, se generan reacciones que finalmente conducen a la síntesis de derivados de carbono en forma de azúcares (materia orgánica), indispensables en la constitución de cualquier ser vivo, a partir del anhídrido carbónico (CO2), materia inorgánica que existe abundantemente en la atmósfera. Cada año los organismos fotosintetizadores fijan en forma de materia orgánica en torno a 100 mil millones de toneladas de carbono (3 mil toneladas de carbono por segundo, aproximadamente). Con ello aseguran la perpetuación de la vida en el planeta; sin ese proceso no existiría vida.

Ahora bien, desde hace algunas décadas la fotosíntesis y otros fenómenos de la naturaleza están siendo observados desde un ángulo nuevo y promisorio, en el cual gobiernos y empresas privadas están invirtiendo sumas ingentes de dinero, como veremos más adelante: la biología cuántica. Al respecto, converso con Vladimiro Mujica, científico venezolano en la Arizona State University, Estados Unidos, quien recientemente ha recibido una importante subvención para financiar un proyecto en biología cuántica que apunta a estudiar los mecanismos fundamentales que influyen sobre el movimiento de electrones en moléculas biológicas.

¿Qué es biología cuántica? ¿Con qué se come eso? ¿Para qué nos sirve? Son preguntas que lanzo a Vladimiro en aras de valorar la importancia de su proyecto, así como el impacto de la biología cuántica y sus aplicaciones en la vida diaria de todos nosotros.

Para hablar de biología cuántica -me dice- primero debemos definir quantum (cantidad mínima de energía que puede ser absorbida, propagada o emitida por la materia) y física cuántica, la física que explica la naturaleza de las partículas atómicas y subatómicas (protones, neutrones, electrones). Es la ciencia de lo más pequeño. Cómo estas partículas trabajan e interactúan es el tema de la mecánica cuántica. Sobre esta ciencia está montado el mundo de las computadoras, lasers, transcriptores, microscopía electrónica, imágenes por resonancia magnética, fibras ópticas, telecomunicaciones, entre otras aplicaciones.

La biología cuántica, por su parte, es un área que si bien dio unos pocos pasos en los años 20 del siglo pasado, es ahora cuando toma impulso, una vez conocidas en mejor detalle las estructuras celulares y las reacciones químicas que se producen en ellas. La biología cuántica es entonces el estudio de las aplicaciones de la mecánica cuántica y de la química a organismos vivos, en procesos que no pueden ser descritos adecuadamente por las leyes de la física clásica y bajo el criterio de que, constituidos por moléculas, también estarán sometidos a las leyes de la materia. Así, por ejemplo, los procesos de conversión de energía luminosa en energía química y las transformaciones subsiguientes del proceso fotosintético al que ya nos referimos en párrafo anterior, son de naturaleza cuántica. Consecuencia directa de dichas investigaciones son, por ejemplo, las aplicaciones derivadas en complejos fotosintéticos, todavía en etapa preliminar, que podrían conducir a prototipos de tecnologías de energías verdes en celdas solares, con miras a paliar los perniciosos efectos del cambio climático.

Otro ejemplo viene de las enzimas. Ellas son biomoléculas (proteínas) que aceleran la velocidad de las reacciones químicas en las células vivas y aseguran la sobrevivencia de los organismos. Así, por ejemplo, la lipasa digiere las grasas y la tripsina, las proteínas; dos ejemplos entre miles. Por otro lado, la carencia o existencia defectuosa de ciertas enzimas pueden dar lugar a defectos congénitos del metabolismo. Por ejemplo, el mal funcionamiento de la fenilalanina hidroxilasa, inducido por una mutación en el gen correspondiente, hace que bebés con fenilcetonuria sufran de retardo mental, si no son tratados adecuadamente.

Mutaciones como ésta surgen de errores en la replicación del ADN. A todos nos es familiar la imagen entorchada de doble cadena que constituye el ADN de todos los seres vivos, moléculas que contienen información genética y la transmiten de una generación a otra, en un proceso fiel de replicación. En el ADN hay enlaces químicos que forman el cuerpo de la “escalera”, los cuales se mantienen juntos por medio de “peldaños” donde hay uniones de hidrógeno.  En ciertas condiciones y por efectos cuánticos, los hidrógenos pueden ubicarse en la cadena equivocada al comenzar el proceso replicativo, lo que lleva a mutaciones puntuales en el ADN, de gran influencia en los procesos evolutivos y metabólicos. Tener un mayor entendimiento de este proceso tiene el potencial, a largo plazo, de estar en condiciones de estudiar soluciones a problemas biomédicos por medio de aplicaciones de la biología cuántica.

En áreas biomédicas hay tres ramas especialmente relevantes para el futuro de la medicina, la biología y la genética: la computación, la simulación y la óptica cuánticas. El dominio de esos procesos es esencial para el desarrollo de técnicas que permitan detectar órganos dañados o tumores y manipularlos a nivel molecular con alta precisión y de manera inocua. Con la capacidad exponencialmente mayor de la computación cuántica, los expertos tratan de simular con computadoras el efecto de diferentes compuestos químicos sobre organismos a nivel molecular y diseñar nuevos medicamentos de manera más rápida y barata.

Prueba de lo prometedor de estas tecnologías son las inversiones y alianzas que ya se están formando en el sector privado para el desarrollo de estas técnicas. Un ejemplo es la colaboración iniciada en 2017 entre la consultora internacional Accenture, la compañía de software cuántico 1Qbit y la firma de biotecnología Biogen para diseñar la primera aplicación cuántica capaz de desarrollar soluciones médicas a problemas como la esclerosis múltiple, el Alzheimer, el Parkinson o la enfermedad de Lou Gehrig.

La promesa de esta nueva era tecnológica también constituye una gran oportunidad que las principales potencias mundiales no desaprovechan, al punto de que se ha establecido una suerte de competencia entre ellas por invertir fortunas en el mundo cuántico, como llave para el progreso en el siglo XXI. Japón está invirtiendo US$ 700 millones en tecnologías cuánticas y ha creado el Instituto de Ciencias Médicas Cuánticas, que apunta a investigar mecanismos de enfermedades como cáncer o Alzheimer, entre diversos proyectos. China ha implementado un programa nacional para investigación y desarrollo de tecnologías cuánticas, respaldado con un aporte de 10 mil millones de dólares; igualmente han hecho la Unión Europea y los Estados Unidos con presupuestos por encima de mil millones de dólares cada uno. Se calcula que en todo el mundo, en estos momentos están invertidos más de US$ 30 mil millones para respaldar investigaciones y aplicaciones derivadas del mundo cuántico, con proyección a US$ 42,4 mil millones en 2027. De manera que no hay duda, el mundo cuántico ya no nos es ajeno. Está aquí para beneficio de la humanidad, si sabemos utilizarlo.

Muy a nuestro pesar, en América Latina y el Caribe el universo cuántico no ha logrado arrancar con el impulso de otras regiones, salvo algunas iniciativas puntuales de investigación, desarrollo e innovación, que si bien son de alabar, no satisfacen los esfuerzos que deben hacerse para enfrentar el mundo de hoy, mucho menos el mañana.

Todos estos desarrollos tecnológicos se basan en aplicación de conocimientos fundamentales obtenidos laboriosamente en los laboratorios de investigación científica. Ha sido la ciencia, ciencia costosa, imprescindible e impredecible, la que ha aportado los grandes resultados que han abierto nuevos campos para el progreso del ser humano y de las sociedades en las que nos desenvolvemos. Es a eso a lo que debemos apostar: ciencia y tecnología para el desarrollo a mediano y largo plazo. La era cuántica ya está entre nosotros, no es ciencia ficción. Será nuestra responsabilidad convertirla en una oportunidad de progreso para nuestros pueblos.


 

*Gioconda Cunto de San Blas es Ph.D. Bioquímica, Universidad Heriot-Watt, Edimburgo, UK y Lic. Química, UCV. Investigadora Emérita del Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC) e Individuo de Número de la Academia de Ciencias Físicas, Matemáticas y Naturales (Acfiman).

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