III Carnaval de Biología: La molécula de ADN como un computador cuántico con entrelazamiento

El papel de los efectos cuánticos en la química física de la vida ha sido muy discutido y criticado. La evolución podría haber cooptimizado ciertos procesos cuánticos en moléculas orgánicas. Los turcos Pusuluk y Deliduman nos proponen un modelo para la duplicación del ADN en el que los nucleótidos se comportan como cubits (bits cuánticos): (1) el reconocimiento de cada nucleótico es forzado por el entrelazamiento intrabase inducido por la superposición cuántica entre diferentes tautómeros, y (2) el emparejamiento entre nucleótidos complementarios conlleva el intercambio de entrelazamientos intrabase e interbase. Aunque la idea está todavía en pañales, es curioso hasta donde pueden llegar los físicos cuando se adentran en la biología. El único problema es que este tipo de hipótesis “arriesgadas” son casi imposibles de verificar en la actualidad. El artículo técnico es Onur Pusuluk, Cemsinan Deliduman, “Entanglement Swapping Model of DNA Replication,” ArXiv, 30 Dic. 2010.

Lo primero, no es el primer modelo que sugiere la importancia de los efectos cuánticos en la molécula de ADN; muchos recordaréis la propuesta de Elisabeth Rieper, Janet Anders, Vlatko Vedral, “The relevance of continuous variable entanglement in DNA,” ArXiv, 21 Jun 2010, de la que se hizo eco KFC, “Quantum Entanglement Holds DNA Together, Say Physicists,” The Physics ArXiv Blog, Jun 28, 2010, traducido por Osccar, “El entrelazamiento cuántico mantiene unido el ADN,” Ciencia Kanija, 29 Jun 2010. Tampoco podemos olvidar “la conexión entre la fotosíntesis y los algoritmos cuánticos,” que ha llegado a ser “publicada en Nature: Biología cuántica y computación cuántica adiabática en la fotosíntesis a temperatura ambiente.” O el trabajo de Galve et al. sobre “el entrelazamiento cuántico que se da a alta temperatura en sistemas cuánticos fuera del equilibrio.”

El dogma de la biología molecular afirma que la información genética se almacena en el ADN bicatenario (dsDNA) que se divide en dos cadenas monocatenarias (ssDNA), cada una de las cuales se duplica gracias al enzima ADN polimerasa (DNApol) que toma nucleótidos del entorno y los apareja en un orden fijo (A=T, C≡G). Los detalles cuánticos de este proceso no son conocidos, debido a su complejidad, hecho que aprovechan Pusuluk y Deliduman para proponer sus ideas. ¿Hay efectos cuánticos implicados en cómo reconoce la ADN polimerasa al nucleótido que debe emparejar en la cadena de ssDNA? El proceso de replicación (o duplicación) es muy eficientie, hasta 30.000 npm (nucleótidos por minuto) en bacterias y unos 3.000 nps en humanos. Más aún, si se anulan los mecanismos de corrección de errores, se puede alcanzar un millón de npm. ¿Cómo se alcanza una eficiencia tan alta? Igual que en el caso de la fotosíntesis, lo más socorrido es recurrir a efectos cuánticos.

Todos los nucleótidos presentan formas tautoméricas alternativas, que se diferencian solo en la posición de un grupo funcional. En concreto, A, A*, T, T*, C, C*, C#, G, G* y G#. Muchas de los errores (mutaciones) en la replicación del ADN son debidos a este hecho. Por ejemplo, A* se puede aparear con C formando el enlace A*≡C,  o C* se puede aparear con A formando el enlace C*=A. Pusuluk y Deliduman proponen que las formas tautoméricas de los enlaces A=T y A*=T* pueden actuar como cubits en un estado de superposición. Comprobarlo de forma experimental es muy difícil. Según los autores, la decoherencia cuántica destruye estos estados antes de que puedan ser detectados debido a la complejidad del entorno celular. Sin embargo, una molécula como la ADN polimerasa es capaz de actuar con rapidez suficiente para evitar esta decoherencia. Obviamente, una hipótesis difícil de verificar (o refutar) es lo mejor para proponer una teoría arriesgada.

¿Algún día los biólogos tendrán que estudiar en su carrera la teoría cuántica de la información?

Por cierto, la figura que abre esta entrada está extraída de J. William Bell, “Reflecting chemical intuition,” NCSA, 2008, y presenta un resultado de simulaciones cuánticas del apareamiento de dos nucléotidos obtenidas por el equipo de Todd Martinez de la Universidad de Illinois.

Esta entrada es mi primera participación para el III Carnaval de Biología organizado por Francisco Gascó, biólogo formado en la Universidad de Valencia y autor del blog El Pakozoico. Os recuerdo, si queréis participar tenéis hasta el 30 de abril para enviar vuestras entradas a Pako. El tema elegido por él son las relaciones tróficas, pero cualquier otro tema también tiene cabida. Esta entrada, por ejemplo, tiene poco de “trófica.”



3 Comentarios

    1. Más bien una hipótesis exótica con poco fundamento teórico y ningún fundamento experimental, pero me ha resultó curiosa la idea hace unos meses y la he rescatado de los borradores. En resumen, una curiosidad sin mayor significación.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 18 abril, 2011
Categoría(s): ✓ Biología • Ciencia • Física • Mecánica Cuántica • Physics • Science
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