A fibra óptica quântica no cérebro melhora o processamento e pode proteger contra doenças degenerativas
Grandes redes ópticas quânticas de triptofano em arquiteturas de proteínas – os tipos encontrados em cérebros de mamíferos, mas também em todos os eucariontes e até mesmo em algumas bactérias – influenciam sua resposta coletiva a um estímulo de luz ultravioleta. Essas redes de triptofano, um aminoácido que absorve e emite fortemente no ultravioleta, são estruturadas em conjuntos de proteínas muito maiores que se auto-organizam em neurônios, centríolos, cílios e flagelos. A existência de uma resposta óptica cooperativa e ultrarrápida em filamentos do citoesqueleto, fibras neuronais e outras organelas celulares revela sua capacidade de processar energia eletromagnética e informações de maneiras imprevistas. A vida encontrou assim uma forma de explorar as simetrias moleculares para melhorar os comportamentos ópticos quânticos colectivos, que são robustos para ambientes quentes e húmidos. Para saber mais, visite o Laboratório de Biologia Quântica. Crédito:Laboratório de Biologia Quântica:Nathan Babcock e Philip Kurian Os efeitos da mecânica quântica – as leis da física que se aplicam a escalas extremamente pequenas – são extremamente sensíveis a perturbações. É por isso que os computadores quânticos devem ser mantidos a temperaturas mais frias do que o espaço sideral, e apenas objetos muito, muito pequenos, como átomos e moléculas, geralmente apresentam propriedades quânticas.
Pelos padrões quânticos, os sistemas biológicos são ambientes bastante hostis:são quentes e caóticos, e até os seus componentes fundamentais – como as células – são considerados muito grandes.
Mas um grupo de investigadores teóricos e experimentais descobriu um efeito distintamente quântico na biologia que sobrevive a estas condições difíceis e pode também apresentar uma forma de o cérebro se proteger de doenças degenerativas como a doença de Alzheimer.
O resultado, publicado no The Journal of Physical Chemistry B não é apenas uma descoberta importante para a neurociência, mas também sugere novas aplicações de técnicas para pesquisadores de computação quântica e representa uma nova forma de pensar sobre a relação entre a vida e a mecânica quântica.
“Acredito que nosso trabalho é um salto quântico para a biologia quântica, levando-nos além da fotossíntese e para outros domínios de exploração:investigando implicações para o processamento de informação quântica e descobrindo novas abordagens terapêuticas para doenças complexas”, disse Philip Kurian, Ph.D. , investigador principal e diretor fundador do Laboratório de Biologia Quântica da Howard University em Washington, DC.
Superradiância de fóton único
A estrela do estudo é o triptofano:uma molécula que está mais associada aos jantares de peru, mas também é encontrada em muitos contextos biológicos. Como aminoácido, é um bloco de construção fundamental para proteínas e estruturas maiores feitas a partir dessas proteínas, como cílios, flagelos e centríolos.
Uma molécula solitária de triptofano apresenta uma propriedade quântica bastante padrão:pode absorver uma partícula de luz (chamada fóton) em uma determinada frequência e emitir outro fóton em uma frequência diferente. Este processo é denominado fluorescência e é frequentemente utilizado em estudos para investigar respostas proteicas.
Mas o estudo descobriu que algo estranho acontece quando muitas, muitas moléculas de triptofano estão dispostas numa rede simétrica, como se estivessem em estruturas maiores como os centríolos – elas fluorescem mais forte e mais rapidamente do que fariam se estivessem fluorescentes de forma independente. O comportamento coletivo é chamado de “superradiância” e só acontece com fótons únicos por causa da mecânica quântica.
Este resultado demonstra um efeito quântico fundamental em um local onde normalmente não se espera que os efeitos quânticos sejam capazes de sobreviver:um objeto maior em um ambiente quente e “ruidoso”.
“Esta publicação é fruto de uma década de trabalho pensando nessas redes como principais impulsionadores de importantes efeitos quânticos no nível celular”, disse Kurian.
“É um belo resultado”, disse o professor Majed Chergui, do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (EPFL) em Lausanne, Suíça, que liderou a equipe experimental. "Foi necessária uma aplicação muito precisa e cuidadosa de métodos padrão de espectroscopia de proteínas, mas guiados pelas previsões teóricas de nossos colaboradores, fomos capazes de confirmar uma assinatura impressionante de superradiância em um sistema biológico em escala micrométrica."
Neurônios
Essas grandes redes de triptofano existem nos neurônios, as células que constituem o sistema nervoso dos mamíferos. A presença de superradiância quântica nos feixes de neurônios semelhantes a fibras tem duas grandes implicações potenciais:proteção contra doenças degenerativas e transmissão de sinais quânticos no cérebro.
Doenças cerebrais degenerativas como a doença de Alzheimer têm sido associadas a elevados graus de stress oxidativo – quando o corpo transporta um grande número de radicais livres, que podem emitir partículas de luz UV prejudiciais e de alta energia.
O triptofano pode absorver essa luz ultravioleta e reemiti-la com uma energia mais baixa e mais segura. E, como este estudo descobriu, redes muito grandes de triptofano podem fazer isso de forma ainda mais eficiente e robusta devido aos seus poderosos efeitos quânticos.
“Esta fotoproteção pode ser crucial para melhorar ou interromper a progressão da doença degenerativa”, disse Kurian. “Esperamos que isso inspire uma série de novos experimentos para entender como a fotoproteção aprimorada quântica desempenha um papel em patologias complexas que prosperam em condições altamente oxidativas”.
A segunda implicação para a superradiância no cérebro tem a ver com a forma como os neurônios transmitem sinais. O modelo padrão para sinalização neuronal envolve íons se movendo através das membranas de uma extremidade a outra do neurônio, em um processo químico que leva alguns milissegundos para cada sinal. Mas os investigadores da neurociência só recentemente tomaram consciência de que esta não pode ser toda a história.
A superradiância no cérebro acontece em menos de um picossegundo – um bilionésimo de milissegundo. Estas redes de triptofano poderiam funcionar como fibras ópticas quânticas que permitem ao cérebro processar informações centenas de milhões de vezes mais rápido do que os processos químicos por si só permitiriam.
“O grupo Kurian e os colegas de trabalho enriqueceram a nossa compreensão dos fluxos de informação na biologia a nível quântico”, disse Michael Levin, diretor do Centro Tufts para Biologia Regenerativa e do Desenvolvimento, que não esteve associado ao trabalho.
"Essas redes ópticas quânticas estão difundidas, não apenas em sistemas neurais, mas amplamente em toda a teia da vida. As propriedades notáveis desta modalidade de sinalização e processamento de informações podem ser extremamente relevantes para a biologia evolutiva, física e computacional."
Informação quântica
O lado teórico deste trabalho tem chamado a atenção de pesquisadores em tecnologia quântica, pois a sobrevivência de efeitos quânticos frágeis em um ambiente “confuso” é de grande interesse para aqueles que desejam tornar a tecnologia da informação quântica mais resiliente. Kurian diz que conversou com vários pesquisadores de tecnologia quântica que ficaram surpresos ao encontrar tal conexão nas ciências biológicas.
“Esses novos resultados serão de interesse para a grande comunidade de pesquisadores em sistemas quânticos abertos e computação quântica, porque os métodos teóricos utilizados neste estudo são amplamente empregados nessas áreas para compreender redes quânticas complexas em ambientes ruidosos”, disse o professor Nicolò Defenu. do Instituto Federal de Tecnologia (ETH) de Zurique, na Suíça, um pesquisador quântico que não estava associado ao trabalho.
“É realmente intrigante ver uma conexão vital entre a computação quântica e os sistemas vivos”.
O trabalho também chamou a atenção do físico quântico Marlan Scully, pioneiro do laser na área de óptica quântica e um dos maiores especialistas em superradiância.
"A superradiância de fóton único promete produzir novas ferramentas para armazenar informações quânticas, e este trabalho mostra seus efeitos em um contexto totalmente novo e diferente", disse Scully. “Certamente examinaremos de perto as implicações para os efeitos quânticos nos sistemas vivos nos próximos anos”.
