Los científicos han desarrollado una nueva clase de biomoléculas denominadas proteínas fluorescentes magnetosensibles (MFPs, por sus siglas en inglés), capaces de interactuar con campos magnéticos y ondas de radio gracias a interacciones cuánticas que ocurren dentro de la proteína cuando se expone a luz de una longitud de onda apropiada.

Aunque los efectos cuánticos se han observado previamente en procesos biológicos naturales, como la navegación de las aves, esta investigación marca la primera vez que estos efectos se diseñan deliberadamente para crear tecnologías con aplicaciones prácticas en el mundo real.

"Lo que me asombra es el poder de la evolución: aún no sabemos cómo diseñar desde cero un buen sensor cuántico biológico, pero al dirigir cuidadosamente el proceso evolutivo en bacterias, la Naturaleza encontró un camino para nosotros", afirmó Gabriel Abrahams, primer autor del estudio y estudiante de doctorado en el Departamento de Ciencias de la Ingeniería, según la Universidad de Oxford.

El equipo ya está explorando aplicaciones de estas tecnologías en biomedicina. Como parte del estudio, los investigadores crearon un prototipo de instrumento de imagen que puede localizar las proteínas diseñadas utilizando un mecanismo similar a la Resonancia Magnética (MRI) ampliamente utilizada en hospitales. Sin embargo, a diferencia de la MRI convencional, esta nueva tecnología podría rastrear moléculas específicas o la expresión génica dentro de un organismo vivo, lo que resulta fundamental para desafíos médicos como la administración dirigida de fármacos y el monitoreo de cambios genéticos dentro de tumores.

Para generar las proteínas modificadas, el equipo utilizó una técnica de bioingeniería conocida como evolución dirigida. En este método, se introducen mutaciones aleatorias en la secuencia de ADN que codifica la proteína, creando miles de variantes con propiedades alteradas. Las variantes de alto rendimiento se seleccionan de esta colección, y el proceso se repite. Después de muchas rondas consecutivas de evolución dirigida, las proteínas seleccionadas mostraron una sensibilidad dramáticamente mejorada a los campos magnéticos.

La investigación, publicada en Nature, detalla cómo estas proteínas exhiben resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR) en células bacterianas vivas a temperatura ambiente, con una relación señal-ruido suficientemente alta para la detección de células individuales. Estos efectos se explican a través del mecanismo de par radical, que involucra la estructura proteica y un cofactor de flavina unido.

El profesor Harrison Steel, autor principal del estudio, destacó la naturaleza interdisciplinaria del descubrimiento: "Nuestro estudio resalta lo difícil que es predecir el sinuoso camino desde la ciencia fundamental hasta el avance tecnológico. Por ejemplo, nuestra comprensión de los procesos cuánticos que ocurren dentro de las MFPs solo se desbloqueó gracias a expertos que han pasado décadas estudiando cómo las aves navegan usando el campo magnético terrestre. Mientras tanto, ¡las proteínas que proporcionaron el punto de partida para diseñar las MFPs se originaron en la avena común!".

El logro requirió un ambicioso enfoque interdisciplinario, vinculando experiencia en Biología de Ingeniería, Física Cuántica e Inteligencia Artificial, tres áreas de innovación recientemente destacadas como centrales para la Estrategia Industrial del Reino Unido. Este estudio se considera el primero en el que se ha explotado su intersección para crear una nueva tecnología.

Tras el éxito de este proyecto, el equipo está acelerando el trabajo para materializar las numerosas aplicaciones de su descubrimiento y para profundizar en la comprensión de los efectos cuánticos en la naturaleza como parte de un importante proyecto reciente del BBSRC (Consejo de Investigación en Biotecnología y Ciencias Biológicas) liderado por el Departamento de Química de Oxford.

El equipo fue dirigido por el Departamento de Ciencias de la Ingeniería de Oxford, con colaboradores del Departamento de Química y socios internacionales de la Universidad de Aarhus, el Instituto Real de Tecnología de Melbourne, la Universidad Sungkyunkwan y la empresa estadounidense Calico Life Sciences LLC.

El estudio "Resonancia de espín cuántico en proteínas diseñadas para detección multimodal" representa un avance significativo en la intersección entre la biología y la física cuántica, con potencial para revolucionar campos como la imagen médica y la biotecnología.