Un sensor cuántico basado en proteínas de medusas podría revolucionar la medicina

Científicos de la Universidad de Chicago, liderados por David Awschalom, lograron un hito en la integración de la física cuántica y la biología: desarrollaron un sensor cuántico basado en la proteína fluorescente amarilla mejorada (EYFP, por sus siglas en inglés), derivada de la medusa cristal bioluminiscente Aequorea victoria.

Según New Scientist, este avance podría revolucionar el diagnóstico médico y el estudio de procesos celulares, abriendo nuevas posibilidades para la detección temprana de enfermedades y el análisis detallado de los mecanismos internos de las células.

Los sensores cuánticos se han destacado por su capacidad para medir campos magnéticos, temperaturas y otros fenómenos con una sensibilidad superior a los dispositivos convencionales.

En el pasado, estos sensores se fabricaban utilizando diamantes con defectos microscópicos que interactúan con los campos magnéticos externos, haciéndolos brillar de manera medible.

Aunque esta tecnología ha sido eficaz en experimentos con animales, como la detección de campos magnéticos en corazones de ratas o neuronas de ratones, su implementación en procesos celulares específicos había sido un desafío técnico hasta ahora.

El uso de la proteína EYFP representa una innovación crucial. Esta proteína, modificada genéticamente para ser producida por células vivas, es biocompatible, lo que facilita su incorporación en sistemas biológicos sin causar alteraciones significativas.

“Queremos algo biocompatible a una escala de unos pocos nanómetros”, explicó Awschalom. En lugar de fabricar un sistema molecular desde cero, el equipo aprovechó las propiedades naturales de una proteína ya ampliamente utilizada en investigaciones biomédicas.

El funcionamiento de este sensor se basa en la interacción de la luz con el fluoróforo, el componente fotosensible dentro de la proteína. Los investigadores activan el fluoróforo con un láser azul, lo que altera temporalmente el espín de sus electrones, una propiedad mecánica cuántica que se ve influenciada por fuerzas externas como campos eléctricos o cambios de temperatura.

Este estado de espín, aunque breve (dura solo unos milisegundos), es suficiente para captar estas influencias externas, que luego son detectadas por un segundo láser rojo.

Durante las pruebas realizadas a temperaturas extremadamente bajas (-193 °C), condiciones típicas de los microscopios crioelectrónicos, el equipo demostró que las propiedades cuánticas del EYFP podían controlarse y medirse con gran precisión.

Además, experimentos a temperatura ambiente confirmaron la estabilidad del sensor, lo que sugiere su potencial para aplicaciones prácticas fuera del laboratorio.

La posibilidad de utilizar EYFP para rastrear procesos celulares en tiempo real podría transformar la manera en que se estudian enfermedades y se diseñan tratamientos.

Una de sus aplicaciones más prometedoras es la detección precoz de patologías mediante la identificación de pequeños cambios en el entorno celular, como fluctuaciones en temperatura o la presencia de campos eléctricos anómalos.

El EYFP también puede adherirse a proteínas específicas dentro de las células mediante modificaciones genéticas, permitiendo rastrear su ubicación y comportamiento.

Esta capacidad es esencial para estudiar cómo se forman las células, cómo interactúan entre sí y cómo responden a cambios en su entorno, factores clave en el desarrollo de enfermedades.

Erik Gauger, investigador de la Universidad Heriot-Watt en Edimburgo, calificó este avance como “increíble” y destacó la capacidad del equipo para manipular coherentemente un espín en una proteína a temperatura ambiente. “Esto abre nuevas puertas para explorar fenómenos biológicos en una escala que antes era inimaginable”, añadió.

Sin embargo, el desarrollo de esta tecnología no está exento de desafíos. Aunque el sensor ha demostrado su eficacia en pruebas controladas, su implementación en aplicaciones clínicas requiere superar obstáculos como la optimización de la tecnología para ambientes complejos dentro del cuerpo humano y la integración con otros sistemas de diagnóstico.

Aunque el equipo no midió directamente propiedades biológicas en los experimentos iniciales, el potencial de este sensor cuántico es inmenso.

Awschalom y sus colegas están convencidos de que EYFP podría convertirse en una herramienta estándar en biomedicina, facilitando desde el diagnóstico temprano de enfermedades hasta el análisis de procesos moleculares esenciales para la vida.

“El uso de este tipo de sensores ofrece información adicional que puede transformar no solo la investigación básica, sino también cómo entendemos y tratamos las enfermedades”, comentó Gauger.

El desarrollo del sensor cuántico basado en EYFP es un ejemplo sobresaliente de cómo la interdisciplinariedad entre la física cuántica y la biología puede llevar a descubrimientos con aplicaciones revolucionarias.

A medida que se optimice esta tecnología, su impacto podría extenderse más allá de la medicina, beneficiando también a campos como la nanotecnología y la ciencia de materiales.