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Imagen de las criptofitas obtenida por microscopio electrónico. Fuente: Csiro (agencia nacional de investigación científica de Australia).
Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW, Sidney, Australia) ha descubierto cómo las algas que sobreviven con muy bajos niveles de luz son capaces de activar y desactivar un extraño fenómeno cuántico que se produce durante la fotosíntesis.
La función en las algas de este efecto cuántico, conocido como coherencia cuántica (un estado cuántico que mantiene su fase durante un cierto periodo de tiempo), sigue siendo un misterio, pero se cree que podría ayudarles a captar la energía del sol con mucha más eficiencia.
Averiguar su papel en un organismo vivo podría conducir a avances tecnológicos, como mejores células solares orgánicas y dispositivos electrónicos basados en cuántica.
La investigación, que se publica en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, se enmarca en un campo emergente llamado biología cuántica, en el cual cada vez hay más evidencias de que hay fenómenos cuánticos teniendo lugar en la naturaleza, no sólo en el laboratorio. Desde esta perspectiva, se ha explicado, por ejemplo, cómo las aves navegan utilizando el campo magnético de la tierra.
Una ventaja cuántica
"Estudiamos pequeñas algas unicelulares llamadas criptofitas que crecen en el fondo de concentraciones de agua, o bajo hielo grueso, donde muy poca luz llega hasta ellas", explica el autor principal del artículo, el profesor Paul Curmi, de la Facultad de Física, en la nota de prensa de la Universidad.
"La mayoría de criptofitas tienen un sistema de captación de luz en el que participa la coherencia cuántica. Pero hemos encontrado una clase de criptofitas donde está desactivado, debido a una mutación genética que altera la forma de una proteína captadora de luz".
"Se trata de un hallazgo muy emocionante. Significa que seremos capaces de descubrir el papel de la coherencia cuántica en la fotosíntesis mediante la comparación de los organismos con los dos tipos diferentes de proteínas".
En el extraño mundo de la física cuántica, un sistema que sea coherente puede existir en muchos estados diferentes al mismo tiempo, un efecto conocido como superposición. Este fenómeno se observa por lo general sólo en condiciones de laboratorio estrictamente controladas.
Así que el equipo, que incluye al profesor Gregory Scholes, de la Universidad de Toronto (Canadá), se sorprendió al descubrir en 2010 que la transferencia de energía entre moléculas en los sistemas de recolección de luz de dos especies diferentes de criptofita era coherente.
El mismo efecto se ha encontrado en bacterias verdes del azufre, que también sobreviven en niveles muy bajos de luz. "La suposición es que esto podría aumentar la eficiencia de la fotosíntesis, lo que permite a las algas y las bacterias existir con casi nada de luz", señala el profesor Curmi.
"Una vez que una proteína captadora de luz ha capturado luz del sol, necesita trasladar lo más rápidamente posible esa energía atrapada al centro de reacción de la célula, donde la energía se convierte en energía química para el organismo.
"Se suponía que la energía llegaba al centro de reacción de una manera aleatoria, como un borracho que vuelve a casa. Pero la coherencia cuántica permitiría que la energía probara todas las vías posibles de forma simultánea antes de viajar a través de la ruta más rápida."
La función en las algas de este efecto cuántico, conocido como coherencia cuántica (un estado cuántico que mantiene su fase durante un cierto periodo de tiempo), sigue siendo un misterio, pero se cree que podría ayudarles a captar la energía del sol con mucha más eficiencia.
Averiguar su papel en un organismo vivo podría conducir a avances tecnológicos, como mejores células solares orgánicas y dispositivos electrónicos basados en cuántica.
La investigación, que se publica en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, se enmarca en un campo emergente llamado biología cuántica, en el cual cada vez hay más evidencias de que hay fenómenos cuánticos teniendo lugar en la naturaleza, no sólo en el laboratorio. Desde esta perspectiva, se ha explicado, por ejemplo, cómo las aves navegan utilizando el campo magnético de la tierra.
Una ventaja cuántica
"Estudiamos pequeñas algas unicelulares llamadas criptofitas que crecen en el fondo de concentraciones de agua, o bajo hielo grueso, donde muy poca luz llega hasta ellas", explica el autor principal del artículo, el profesor Paul Curmi, de la Facultad de Física, en la nota de prensa de la Universidad.
"La mayoría de criptofitas tienen un sistema de captación de luz en el que participa la coherencia cuántica. Pero hemos encontrado una clase de criptofitas donde está desactivado, debido a una mutación genética que altera la forma de una proteína captadora de luz".
"Se trata de un hallazgo muy emocionante. Significa que seremos capaces de descubrir el papel de la coherencia cuántica en la fotosíntesis mediante la comparación de los organismos con los dos tipos diferentes de proteínas".
En el extraño mundo de la física cuántica, un sistema que sea coherente puede existir en muchos estados diferentes al mismo tiempo, un efecto conocido como superposición. Este fenómeno se observa por lo general sólo en condiciones de laboratorio estrictamente controladas.
Así que el equipo, que incluye al profesor Gregory Scholes, de la Universidad de Toronto (Canadá), se sorprendió al descubrir en 2010 que la transferencia de energía entre moléculas en los sistemas de recolección de luz de dos especies diferentes de criptofita era coherente.
El mismo efecto se ha encontrado en bacterias verdes del azufre, que también sobreviven en niveles muy bajos de luz. "La suposición es que esto podría aumentar la eficiencia de la fotosíntesis, lo que permite a las algas y las bacterias existir con casi nada de luz", señala el profesor Curmi.
"Una vez que una proteína captadora de luz ha capturado luz del sol, necesita trasladar lo más rápidamente posible esa energía atrapada al centro de reacción de la célula, donde la energía se convierte en energía química para el organismo.
"Se suponía que la energía llegaba al centro de reacción de una manera aleatoria, como un borracho que vuelve a casa. Pero la coherencia cuántica permitiría que la energía probara todas las vías posibles de forma simultánea antes de viajar a través de la ruta más rápida."
Estructura de los captadores
En el nuevo estudio, el equipo utilizó cristalografía de rayos X para averiguar la estructura cristalina de los complejos captadores de luz de tres especies diferentes de criptofitas.
Descubrieron que, en dos especies, una mutación genética ha dado lugar a la inserción de un aminoácido extra que cambia la estructura del complejo proteico, lo que altera la coherencia.
"Esto demuestra que las criptofitas han desarrollado un interruptor genético elegante pero potente para controlar la coherencia y cambiar los mecanismos utilizados en la recolección de la luz", afirma el profesor Curmi.
El siguiente paso será comparar la biología de las diferentes criptofitas, por ejemplo si viven en distintos nichos ambientales, para averiguar si el efecto de la coherencia cuántica está ayudando a su supervivencia.
El equipo fue dirigido por Stephen Harrop y Krystyna Wilk, de la UNSW, e incluye a investigadores de la Universidad de Toronto, la Universidad de Padua (Italia), la Universidad de British Columbia (Canadá), la Universidad de Colonia (Alemania) y Universidad Macquarie (Australia).
En el nuevo estudio, el equipo utilizó cristalografía de rayos X para averiguar la estructura cristalina de los complejos captadores de luz de tres especies diferentes de criptofitas.
Descubrieron que, en dos especies, una mutación genética ha dado lugar a la inserción de un aminoácido extra que cambia la estructura del complejo proteico, lo que altera la coherencia.
"Esto demuestra que las criptofitas han desarrollado un interruptor genético elegante pero potente para controlar la coherencia y cambiar los mecanismos utilizados en la recolección de la luz", afirma el profesor Curmi.
El siguiente paso será comparar la biología de las diferentes criptofitas, por ejemplo si viven en distintos nichos ambientales, para averiguar si el efecto de la coherencia cuántica está ayudando a su supervivencia.
El equipo fue dirigido por Stephen Harrop y Krystyna Wilk, de la UNSW, e incluye a investigadores de la Universidad de Toronto, la Universidad de Padua (Italia), la Universidad de British Columbia (Canadá), la Universidad de Colonia (Alemania) y Universidad Macquarie (Australia).
Referencia bibliográfica:
Stephen J. Harrop, Krystyna E. Wilk, Rayomond Dinshaw, Elisabetta Collini, Tihana Mirkovic, Chang Ying Teng, Daniel G. Oblinsky, Beverley R. Green, Kerstin Hoef-Emden, Roger G. Hiller, Gregory D. Scholes, y Paul M. G. Curmi. Single-residue insertion switches the quaternary structure and exciton states of cryptophyte light-harvesting proteins. PNAS (2014). DOI: 10.1073/pnas.1402538111.
Stephen J. Harrop, Krystyna E. Wilk, Rayomond Dinshaw, Elisabetta Collini, Tihana Mirkovic, Chang Ying Teng, Daniel G. Oblinsky, Beverley R. Green, Kerstin Hoef-Emden, Roger G. Hiller, Gregory D. Scholes, y Paul M. G. Curmi. Single-residue insertion switches the quaternary structure and exciton states of cryptophyte light-harvesting proteins. PNAS (2014). DOI: 10.1073/pnas.1402538111.
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Los electrones abren un nuevo mundo a la física cuántica
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