Efectos cuánticos en sistemas biológicos
En experimentos recientes con técnicas de espectroscopía ultra-rápida se ha podido indagar en los procesos bioquímicos de organismos vivos. En el ámbito del proyecto QUANTUM BIOTECH (Quantum phenomena in biology: Theory and experiments towards novel solar energy quantum technologies), financiado por la UE, un equipo de investigadores estudió la fotosíntesis. Durante la fotosíntesis, la energía transportada por fotones se absorbe por medio de antenas recolectoras de luz. A continuación la excitación electrónica de cada antena se transfiere a un centro de reacción donde una separación de cargas da lugar a formas más estables de energía química. Los investigadores desarrollaron modelos teóricos para representar dicha transferencia de energía. En concreto, el equipo del proyecto QUANTUM BIOTECH utilizó el formalismo teórico de los paseos cuánticos estocásticos para describir la transferencia de energía al centro de reacción a través de estructuras complejas de gran tamaño. En el caso de las bacterias verdes del azufre, los fotones recolectados se transfieren mediante el complejo pigmento-proteína Fenna-Matthews-Olson (FMO). Lo destacable es la eficiencia observada en el complejo FMO, dado que casi todos los fotones observados se transfieren satisfactoriamente al centro de reacción. Posteriormente, los investigadores exploraron la viabilidad de mejorar estos procesos de recolección de luz mediante el uso de fuentes de radiación coherentes. En la fotosíntesis, cuando los fotones impactan sobre los receptores, denominados cromóforos, estos producen excitones. Estas partículas cuánticas de energía saltan de un cromóforo a otro hasta alcanzar el centro de reacción, donde su energía se aprovecha para construir moléculas que sustentan la vida. Los excitones siguen caminos aleatorios a no ser que aprovechen los efectos cuánticos que les permiten tomar varios caminos simultáneamente y seleccionar los mejores. Los investigadores diseñaron un virus capaz de doblar la velocidad de los excitones, mejorando así la eficiencia del proceso de manera significativa. En concreto, produjeron muchas variedades del virus que se unen a varios cromóforos sintéticos, incluidos los tintes orgánicos. Los virus seleccionados tenían las escalas de longitud adecuadas para sustentar el denominado efecto Ricitos de Oro cuántico. El equipo de QUANTUM BIOTECH utilizó la espectroscopía láser y el modelado dinámico para «observar» el proceso de recolección de luz y demostrar que los virus utilizan la coherencia cuántica para mejorar la transferencia de excitones. Los resultados del proyecto son una prueba de concepto y señalan el camino a seguir para desarrollar células solares económicas y eficientes, así como catalizadores fotoquímicos.
Palabras clave
Mecánica cuántica, QUANTUM BIOTECH, fotosíntesis, bacterias verdes del azufre, células solares
