Un posible origen de la brújula magnética de los petirrojos

Por Francisco R. Villatoro, el 27 junio, 2021. Categoría(s): Biología • Bioquímica • Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 2

Los petirrojos se guían por el campo magnético terrestre en sus migraciones. La hipótesis más popular es que «ven» el campo magnético, pues sus sensores magnéticos estarían en sus ojos. La apoya un artículo en Nature que encuentra por primera vez una proteína fotorreceptora en su retina que es sensible al magnetismo: el receptor de luz azul ErCRY4, el criptocromo 4 (CRY4) del petirrojo (Erithacus rubecula). Se propone que cuatro triptófanos (Trp, W), entre sus 527 aminoácidos, actúan como pares de radicales, moléculas con dos electrones libres cuyos espines pueden estar antiparalelos (estado singlete) o paralelos (triplete); el campo magnético cambia la probabilidad de los estados singlete y triplete en superposición cuántica. La transferencia de electrones entre los cuatro triptófanos acaba en un dinucleótido de flavina y adenina (FAD) que inicia una cascada de señalización que activa un canal iónico en una neurona. Por desgracia, el nuevo resultado in vitro no es definitivo; hay muchas incógnitas aún sin explicación; y además se necesita su confirmación in vivo.

¿Se trata de un nuevo ejemplo de física cuántica en biología? Todavía no lo sabemos. La sensibilidad in vivo al campo geomagnético de ~ 50 μT (microteslas) exige que la vida media del estado cuántico en los pares de radicales sea de ~ 1 μs (microsegundo); sin embargo, en los experimentos in vitro con ErCRY4 se observa un estado coherente durante ~ 0.1 μs (para campos magnéticos de 30 mT (militeslas), unas mil veces más grandes que el terrestre). Si hubiera un mecanismo cuántico que incrementara en un orden de magnitud la vida media de la coherencia, no tendría dudas de que estamos ante biología cuántica. Sin embargo, el nuevo artículo no discute dicho mecanismo; además, solo presenta simulaciones con dinámica molecular sobre el papel de los triptófanos; siendo un modelo semiclásico, no podemos hablar de biología cuántica. Te recuerdo que la Biología Cuántica describe los procesos en los seres vivos que solo se pueden explicar con la coherencia cuántica a escala macromolecular. Cuando un fenómeno se puede explicar mediante un modelo semiclásico, no se debe hablar de biología cuántica; pues si así se hiciera, toda la biología molecular sería cuántica (pues es el resultado de interacciones cuánticas entre átomos de proteínas y metabolitos).

El artículo es Jingjing Xu, …, Henrik Mouritsen, P. J. Hore, «Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird,» Nature 594: 535 (23 Jun 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03618-9 (por cierto, la primera autora es doctoranda de Mouritsen); más información divulgativa en Eric J. Warrant, «Unravelling the enigma of bird magnetoreception,» Nature 594: 535 (23 Jun 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03618-9; Catherine Offord, «New Study Fuels Debate About Source of Birds’ Magnetic Sense,» The Scientist, 23 Jun 2021; Mark Peplow, «Retina protein may be a magnetic compass for birds,» C&EN, 23 Jun 2021. En español en Enrique Sacristán, «La mecánica cuántica puede actuar en la ‘brújula’ de los petirrojos,» Agencia SINC, 23 jun 2021.

El artículo que propuso el mecanismo de pares de radicales por primera vez es Klaus Schulten, Charles E. Swenberg, Albert Weller, «A biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion,» Zeitschrift für Physikalische Chemie 111: 1-5 (1978) [PDF]. La relevancia potencial del criptocromo Cry4 se destaca en Ilia A. Solov’yov, Henrik Mouritsen, Klaus Schulten, «Acuity of a Cryptochrome and Vision-Based Magnetoreception System in Birds,» Biophysics Journal 99: 40-49 (2010), doi: https://doi.org/10.1016/j.bpj.2010.03.053. Sobre los requisitos necesarios para que la magnetorrecepción por pares de radicales sea biología cuántica recomiendo Thomas P. Fay, Lachlan P. Lindoy, …, P. J. Hore, «How quantum is radical pair magnetoreception?» Faraday Discussions 221: 77-91 (2020), doi: https://doi.org/10.1039/c9fd00049f (los autores son optimistas y rebajan la vida media de la coherencia cuántica a ~ 0.7 μs).

Fuente: Biophys J. (2010), https://doi.org/10.1016/j.bpj.2010.03.053.

Hace más de 20 años que se propuso que los criptocromos de la retina son los fotopigmentos responsables de la brújula geomagnética de las aves migratorias. De hecho, experimentos con petirrojos mostraron que son sensibles a los campos magnéticos bajo incidencia de luz en el espectro del azul al verde (entre 424 y 565 nm), pero no con luz amarilla o roja (más allá de 590 nm). Estas aves se dirigen hacia los polos magnéticos, pero no diferencia entre los polos norte y sur. Además, al tapar el ojo derecho de los petirrojos deja de funcionar su brújula magnética, lo que no ocurre al tapar el izquierdo. Entre todas las hipótesis propuestas para explicar el compás magnético de los petirrojos la más prometedora era la magnetorrecepción química (reacciones químicas moduladas por el campo magnético terrestre).

Los criptocromos son flavoproteinas que intervienen en ciclo circadiano en animales. Hay cuatro criptocromos (Cry1a, Cry1b, Cry2 y Cry4) que se encuentran en la retina de los pájaros; desde el año 2020 el criptocromo Cry4 es el candidato más firme para la molécula magnetorreceptora de los petirrojos (porque no parece participar en la regulación de sus ritmos circadianos). Además el Cry4 solo se ha encontrado en especies que presentan un comportamiento magnetorreceptor. Los criptocromos forman pares de radicales cuando se exponen a la luz; las parejas de electrones tienen sus espines correlacionados cuyo estado cuántico se ve influido por los campos magnéticos.

La idea aprovecha que el espín del electrón se comporta un pequeño imán (momento magnético intrínseco). Se recurre a una macromolécula fotosensible con un par de radicales (moléculas con un número impar de electrones). Los espines de la pareja de electrones pueden ser antiparalelos (↑↓), estado singlete de espín total cero, o paralelos (↓↓ o ↑↑), estado triplete con espín total unidad. En equilibrio térmico, el 25 % están en estado singlete, y el 75 % en triplete. El ángulo entre la dirección del campo magnético externo y el par de radicales (efecto Zeeman) influye en la diferencia de energía entre los estados singlete y triplete; la luz incidente cambiaría el estado de singlete a triplete con preferencia en la dirección del campo magnético. La transferencia de un electrón entre varios pares de radicales en la molécula magnetorreceptora iniciaría una ruta señalizadora que regularía la apertura (o cierre) de un canal iónico (responsable último del potencial sináptico que iniciaría la señal neuronal en el encéfalo del animal).

Fuente: Nature (2021), https://doi.org/10.1038/d41586-021-01596-6.

Esta figura resume el mecanismo bioquímico propuesto en el nuevo artículo. Un fotón de luz azul excita un electrón en el FAD que se transfiere al Cry4 dando lugar al anión (FAD*⁻). Dicho electrón salta en una cadena de cuatro triptófanos hasta que el cuarto se transforma en el catión protonado (TrpH*⁺). Este proceso es muy rápido,  ocurre durante ~1 ns (nanosegundo). Los espines de los electrones desapareados en este par de radicales (FAD*⁻ y TrpH*⁺) pueden estar en un estado singlete o triplete; la conversión entre ambos ocurre millones de veces por segundo. Ambos estados pueden intercambiar protones para formar los radicales neutros más estables FADH* y Trp*, pero en el estado singlete hay otra posibilidad, la relajación al estado fundamental sin radicales (FAD y TrpH). Un campo magnético de unos militesla desplaza el equilibrio entre estados singlete y triplete, cambiando el resultado. La hipótesis es que la FADH* inicia una cascada de señalización que acaba en la activación de un canal iónico que da lugar a la señal química de la brújula magnética (se ignoran los detalles de este proceso que lleva la información desde el criptocromo hasta el encéfalo del petirrojo).

Para demostrar la relevancia de los triptófanos se han usado mutantes de Cry4 con fenilalanina (Phe, F) en su lugar. Se observa que se bloque la transferencia de electrones (lo que confirma la importancia de la cadena de triptófanos). Además, in vitro, Cry4 produce suficiente cantidad de FADH* con una vida media suficiente como para producir una señal sensorial. Pero la prueba definitiva sería demostrar in vivo que Cry4 es responsable del compás magnético; para ello hay que mostrar que los pares de radicales funcionan en pájaros salvajes y mutantes (sin los triptófanos).

El nuevo resultado es prometedor, pero no está libre de críticas. Ya he mencionado que en los experimentos se han usado campos magnéticos entre 10 y 30 mT, cuando el campo geomagnético es de unos 50 μT; en teoría la formación de pares de radicales en los triptófanos es independiente de la intensidad del campo magnético, pero se requieren experimentos que lo confirmen. Además, el mecanismo de formación de radicales no funciona para luz verde (solo para luz azul), aunque se sabe que los petirrojos también se orientan bajo luz verde; aunque hay dudas sobre algunos de estos experimentos, se necesita un mecanismo fotoquímico que explique sus resultados. Además, los petirrojos también migran durante las noches de luna nueva, por encima de las nubes, con la única luz de las estrellas; se necesitan experimentos que confirmen que el Cry4 en la retina es magnetosensible para fuentes de fotones de muy baja intensidad (casi en completa oscuridad). Más aún, in vivo, en los conos de la retina donde se encuentra el Cry4 se han observado pequeñas gotas de lípidos que podrían bloquear la luz visible en el azul, aunque no la ultravioleta; está por ver cómo la hipótesis del nuevo artículo supera esta dificultad.

En resumen, encontrar nuevos ejemplos de biología cuántica no es nada fácil; en mi opinión, todavía es pronto para afirmar que la magnetorrecepción en los petirrojos lo sea. El nuevo artículo es un primer paso para apoyar la hipótesis de los pares de radicales en los criptocromos, pero queda mucha investigación pendiente para que se pueda confirmar dicha hipótesis. Además, ignoramos si la coherencia cuántica en las cadenas de aminoácidos de los criptocromos es imprescindible. Sin lugar a dudas, habrá que estar al tanto de cómo evoluciona este campo.



2 Comentarios

  1. Es desde luego fascinante que de ser así, al no tener pepitas de hierro (hablo por hablar, pero se me entiende) cómo otras aves que se dice lo tienen y les ayuda a orientarse.

  2. Ya, como cuando se creía a los efectos cuánticos fuera de mesoescala. Una cenita a que hay seres cuánticos?
    La vida es un laboratorio impresionante, bien dotado y con plazos amplios

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