Al hacerlo, influyen en un estado cuántico sensible conocido como espín y lo hacen visible mediante la luz. En el futuro, estos hallazgos podrían ayudar a detectar e incluso dirigir procesos bioquímicos en las células simplemente desde el exterior utilizando ondas de radio. Hasta ahora, la detección cuántica se conocía principalmente a partir de materiales de estado sólido, como los diamantes, en los que se introducían deliberadamente pequeños defectos. Los investigadores están trasladando ahora este principio a las proteínas, moléculas biológicas que pueden producirse genéticamente y adaptarse de forma específica. En el futuro, esto podría permitir la integración directa de sensores cuánticos en células o tejidos.
Estos sensores basados en proteínas son potencialmente especialmente adecuados para la biodetección, es decir, para la obtención de imágenes de células, tejidos u órganos vivos. En teoría, se sitúan directamente donde se necesita la medición, lo que los hace adecuados para estudios en organismos, a diferencia de los voluminosos sensores de estado sólido.
Dominik Bucher, profesor de Detección Cuántica en la Facultad de Ciencias Naturales de la TUM y último autor del estudio publicado en Nature Biotechnology, explica: «A diferencia de los sistemas establecidos basados en estado sólido, los enfoques basados en proteínas no solo pueden servir como sensores, sino que también abren la posibilidad de controlar procesos biológicos con ondas de radio de forma selectiva, una perspectiva extremadamente emocionante».
¿Qué hicieron exactamente los investigadores?
Los investigadores irradiaron dos proteínas sensibles a la luz —las llamadas flavoproteínas— con luz azul. El punto de partida fue un criptocromo, una proteína estudiada en biología como posible sensor de campos magnéticos en las aves. Las muestras de proteína utilizadas en el estudio fueron proporcionadas por el grupo de investigación del profesor Erik Schleicher de la Universidad de Friburgo. La luz genera pares de radicales con espín correlacionado y propiedades de espín extraordinarias en las proteínas: se trata de pares de electrones acoplados que son extremadamente sensibles a los campos magnéticos. Este comportamiento puede hacerse visible a través de la intensidad de luminiscencia de estas proteínas.
A continuación, los investigadores aplicaron deliberadamente ondas de radio y lograron alterar la luminiscencia de las proteínas —y, por tanto, los pares de radicales subyacentes—. Esto demuestra que los estados cuánticos sensibles en el entorno biológico pueden verse influidos por campos electromagnéticos. Las proteínas actúan como sensores de campos magnéticos e incluso pueden hacer visibles las distribuciones de los campos magnéticos en las muestras.
La señal se lee de forma puramente óptica mediante luz, de manera similar a los sensores cuánticos basados en estado sólido. Aunque se trata de investigación básica, los hallazgos tienen un gran potencial para aplicaciones biotecnológicas a corto plazo. Kun Meng, estudiante de doctorado de la Facultad de Ciencias Naturales de la TUM y primer autor del estudio, explica: «Las posibilidades van desde los sensores cuánticos biológicos hasta la actividad celular controlada por ondas de radio, como la expresión génica controlada a distancia».
