Qué es un qubit biológico y cómo podría facilitar la detección temprana de enfermedades

Investigadores de los Estados Unidos lograron cruzar una frontera que parecía imposible: transformaron una proteína que existe en el interior de las células vivas en un “qubit” funcional, la unidad elemental que usan los ordenadores cuánticos.

El desarrollo permite, por primera vez, que una herramienta cuántica nazca en el ambiente biológico. Podría ser capaz de rastrear hasta los cambios ínfimos que ocurren dentro de organismos como el ser humano. Los resultados fueron publicados en la revista Nature.

Hasta este avance, los experimentos que usan tecnología cuántica solo funcionaban en condiciones artificiales, con temperaturas casi tan bajas como el espacio, y aislados de la vida.

Los resultados confirmaron que la fabricación de qubit biológicos escala bien a diversos organismos, lo que permite pensar en el diseño de experimentos específicos para enfermedades o el rastreo de los pasos más sutiles en la vida celular.

Ahora, una proteína, que fue sintetizada y modificada por los científicos, logra actuar como un detector cuántico dentro de una célula.

Abre la posibilidad de observar procesos de la vida natural con una precisión nunca antes alcanzada.

Detrás de este hito trabajaron investigadores de Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago.

El equipo está encabezado por David Awschalom y Peter Maurer, ambos especialistas en tecnologías cuánticas.

En palabras del propio Awschalom: “En vez de tomar un sensor cuántico convencional y tratar de camuflarlo para que entre en un sistema biológico, quisimos explorar si el propio sistema biológico podía desarrollarse como un qubit”.

Por su parte Maurer comentó: “Ahora, podemos empezar a usar las herramientas de la naturaleza, como la evolución y el autoensamblaje”.

Qué problema quisieron resolver

Hasta el momento, la computación y la detección cuántica dependían de materiales sintéticos, como los defectos en diamantes, y solo podían funcionar en ambientes ultra controlados, ajenos a la vida natural. Esta limitación aislaba los sensores cuánticos de su uso real dentro de organismos.

Los intentos por integrar sensores cuánticos a sistemas vivos resultaban en soluciones poco estables o que no se adaptaban a la química de la célula.

Muchos proyectos buscaban “camuflar” materiales externos, pero no alcanzaban la precisión ni la durabilidad requeridas en ambientes biológicos.

El objetivo del equipo era desarmar esa barrera y generar sensores que partieran de componentes genuinos de los organismos, sin forzar la biología. Esta visión requería convertir a las proteínas, que son producidas por la misma célula, en sensores avanzados.

El desafío consistía en lograr que un componente natural tuviera propiedades cuánticas estables y permitiera, por primera vez, observar procesos vivos a nivel microscópico sin alterar el entorno celular.

Cómo lo hicieron y los resultados

El método se basa en seleccionar una proteína fluorescente, conocida por su uso tradicional como marcador molecular en investigaciones celulares.

Los investigadores modificaron su estructura para dotarla de una propiedad llamada “spin”, fundamental para operar como qubit.

La clave estuvo en codificar genéticamente esta proteína para que, en vez de requerir manipulación externa, pudiera ser producida desde el interior de la célula.

Así, los organismos ensamblaron este sensor cuántico por sí mismos, lo que facilitó su integración. El siguiente paso fue demostrar que, ante estímulos magnéticos o lumínicos específicos, el qubit respondía de modo predecible y medible.

Los datos recogidos mostraron una sensibilidad enorme. “Ahora, por primera vez, podemos medir directamente propiedades cuánticas dentro de sistemas vivos”, dijo Benjamin Soloway, otro de los coautores.

Analizaron si la técnica era compatible con otras familias de proteínas y vieron que diferentes tipos de células podían ensamblar estos sensores.

El procedimiento se aplicó más allá de una única proteína, lo que multiplica las posibles aplicaciones de la técnica.

Los investigadores señalaron que la integración se logra sin alterar el funcionamiento general de las células.

Usos posibles, límites y recomendaciones

Las aplicaciones de los qubit biológicos abarcan desde el estudio de cómo se doblan las proteínas hasta registrar la actividad de las enzimas y captar señales tempranas de enfermedades.

Este avance permite idear técnicas para imagen médica a escala nanométrica al llevar adelante resonancias magnéticas que observan detalles nunca antes accesibles.

El equipo responsable sugiere que esta herramienta hará posible observar y medir dentro de células humanas en tiempo real y con una sensibilidad nunca antes lograda.

Esto podría permitir a los médicos y científicos anticipar problemas antes de que surjan los primeros síntomas.

Todavía existen limitaciones: la sensibilidad de los sensores biológicos es menor que la de los defectos en diamantes, que hoy siguen siendo el estándar en la disciplina.

Los qubit de proteínas se integran y ensamblan con mayor facilidad y ofrecen un puente directo entre lo biológico y lo cuántico.

Se espera expandir la investigación a diferentes tipos de proteínas y organismos. “Estamos entrando en una era donde la frontera entre física cuántica y biología comienza a disolverse”, expresaron.