Un modelo matemático describe el funcionamiento cuántico de los músculos

Científicos del departamento de física de sistemas complejos del Instituto Max Planck de Dresde, en Alemania, han utilizado la mecánica cuántica para explicar la amplitud y las variaciones completas de las curvas que producen los músculos.

La mecánica cuántica es una de las ramas principales de la física, y explica el comportamiento de la materia y de la energía en el mundo de lo más pequeño (los átomos y las partículas subatómicas). Este mundo funciona de manera muy distinta a lo que puede observarse a nivel microscópico, es decir, escapa a las leyes de la física clásica.

El nivel cuántico de la biología

Sin embargo, hasta hace unos años, los científicos no habían podido aplicar la mecánica cuántica al estudio de los complejos sistemas biológicos porque éstos están compuestos por tantísimos átomos que resultaba imposible el procesamiento de la información sobre ellos.

Los grandes avances realizados en las últimas décadas en la capacidad de procesamiento de los superordenadores, así como el desarrollo de herramientas matemáticas eficaces para resolver las ecuaciones de la mecánica cuántica, están acabando con esta limitación.

Ahora, los superordenadores pueden realizar los cálculos necesarios para conocer cómo funciona la biología a escala cuántica o cómo el comportamiento atómico condiciona la biología, lo que ha hecho que emerga una nueva rama de investigación conocida como biología cuántica.

Hoy día, la biología cuántica se está desarrollando ya en muchos laboratorios del mundo, y nadie duda de que los efectos cuánticos jueguen un papel importante en el funcionamiento de las moléculas biológicas, de las células e, incluso, del cerebro.

Proteínas cuánticas

Según publica la revista Technology Review, en concreto, el trabajo de los investigadores del Max Planck Institute, dirigido por Tieyan Si, consistió en crear un modelo cuántico del comportamiento de los músculos o, lo que es lo mismo, un modelo de cómo funcionan los músculos a escala microscópica.

Tieyan Si se centró en el estudio de la miosina, que es una proteína fibrosa implicada en la contracción muscular, el motor molecular que hace que se produzcan las contracciones musculares.

El científico analizó esta proteína, la más abundante del músculo esquelético, como si ésta fuera un objeto cuántico, susceptible de ser descrito por la mecánica cuántica, y no por las leyes tradicionales de la física clásica. Pero, ¿cómo lo hizo?

Para empezar, debemos explicar que las fibras musculares están compuestas por actinas (una proteína globular), que podríamos describir como “cuerdas”, y por miosinas, motores musculares que funcionarían como “tiradores”. Cuando se produce un estímulo eléctrico, la miosina se activa tirando de las “cuerdas” de la actina, lo que produce la contracción muscular.

La fuerza que producen los músculos sería, por tanto, el resultado de la activación de múltiples motores microscópicos de miosina que tiran y se relajan. Sin embargo, estos procesos no se producen necesariamente de forma coordinada, sino que parecen seguir patrones más complejos.

Así, por ejemplo, si los músculos se contraen rápidamente no se genera una señal de fuerza igual que si se contraen de manera lenta.

La descripción de dichos patrones complejos no es sencilla. Tieyan Si lo hizo suponiendo, simplemente, que cada motor de miosina era un objeto cuántico, es decir, que cada uno de dichos motores minúsculos, en lugar de tener una forma única como los objetos de la realidad macroscópica, podía tomar dos formas o estados (como sucede como los electrones según la mecánica cuántica), y que el cambio de uno de estos estados al otro o viceversa sería lo que provocaría la contracción muscular.

Modelización precisa

A partir de esta suposición, Tieyan Si generó un modelo en el que la miosina presenta tanto, dos estados. Para cambiar del primero al segundo, esta proteína absorbe energía, y para cambiar del segundo estado al primero, libera energía. El efecto de la combinación de ambos estados es lo que determina el comportamiento de la fibra muscular.

Según el modelo de Si, la fibra muscular estaría compuesta por una cadena de objetos cuánticos (los motores de miosina) cuyo comportamiento puede describirse matemáticamente como un sistema Hamiltoniano cuántico.

Esta descripción comprendería la relación clásica entre fuerza y velocidad, en diversas situaciones: de liberación rápida, de liberación lenta y de estados inestables.

Gracias a este sistema, escribe el científico en un artículo aparecido en arXiv, se pudo modelar con precisión el comportamiento del músculo cardiaco y el comportamiento muscular de insectos en pleno vuelo,

Cuántica en la realidad cotidiana

Los resultados obtenidos por Tieyan suponen un importante paso hacia la descripción cuántica del comportamiento muscular, pero no es el único que se ha dado recientemente.

Otra investigación que también arrojó importantes resultados en el campo de la biología cuántica, fue la realizada en 2007 por investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer y del Centro Wadsworth, de Estados Unidos, dirigidos por el físico Saroj Nayak.

En dicha investigación, se reveló el mecanismo que sustenta una reacción biológica clave, que consiste en la separación de un tipo de proteína de su proteína anfitriona, y la reconexión posterior de los extremos libres resultantes.

Conocer a nivel cuántico esta reacción proteica servirá, según un comunicado emitido por el Instituto Politécnico de Renssealer, para desarrollar un “interruptor” a escala nanométrica cuyos usos prácticos podrían ir desde la aplicación precisa de medicamentos hasta el desarrollo de sensores para la genómica y la proteómica.

La precisión de los modelos generados por la biología cuántica aumentará a medida que se puedan introducir más átomos en los cálculos realizados por los superordenadores, lo que nos acercará cada vez más a conocer los efectos de la física cuántica en la realidad macroscópica cotidiana.