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Biotecnología

Una partícula biológica se comporta como onda cuántica por primera vez

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Hasta ahora, la dualidad onda-corpúsculo solo se había confirmado en diminutas moléculas inorgánicas. Pero esto acaba de cambiar gracias a este experimento, que demuestra propiedades cuánticas en una molécula de la vida y allana el camino para una nueva era de  biología cuántica

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Ana Milutinovic
  • 13 Noviembre, 2019

Uno de los grandes misterios más contraintuitivos de la mecánica cuántica es la dualidad onda-corpúsculo u onda-partícula. Se trata del fenómeno en el que los objetos se comportan como partículas y como ondas. Numerosos experimentos han demostrado que una sola partícula, un electrón o un fotón, por ejemplo, puede interferir consigo misma, como una onda.  Una conocida demostración es el experimento de la doble rendija, en el que una misma partícula atraviesa dos rendijas a la vez.

Y dado que todos los objetos son básicamente de naturaleza cuántica, todos tienen una longitud de onda asociada. Entonces, en principio, los objetos macroscópicos también deberían mostrar este tipo de dualidad onda-partícula, si se logra un experimento adecuado.

Aunque los físicos aún no han ideado una forma de medir la naturaleza ondulatoria en objetos muy grandes, su interés aumenta constantemente. En 1999, demostraron la dualidad onda-partícula de las moléculas de fullereno. Y desde entonces otros grupos han hecho lo mismo con algunas moléculas aún más grandes. Esto plantea la interesante pregunta de qué tamaños podrían medir. ¿Podrían, por ejemplo, medir las propiedades cuánticas de las moléculas de la propia vida?

El investigador de la Universidad de Viena (Austria) Armin Shayeghi y algunos colegas, han demostrado por primera vez una interferencia cuántica en las moléculas de gramicidina, un antibiótico natural compuesto por 15 aminoácidos. Su trabajo allana el camino para el estudio de las propiedades cuánticas de las biomoléculas y prepara el escenario para experimentos que explotan la naturaleza cuántica de las enzimas, del ADN y quizás algún día de las formas de vida simples como los virus.

El experimento de Shayeghi y sus compañeros es sencillo. Consiste en crear un haz de moléculas de gramicidina ultrafrías y luego medir el patrón de interferencia que crea cuando interfiere consigo mismo. Este patrón de interferencia es una clara evidencia de la naturaleza ondulatoria de las moléculas.

Pero es más fácil decirlo que hacerlo. El primer problema reside en crear el haz de biomoléculas individuales, que son especialmente frágiles y fáciles de separar. Para lograrlo, Shayeghi y sus compañeros recubrieron el borde de una rueda giratoria con una capa delgada de gramicidina. Luego, el equipo disparó una serie de pulsos cortos de láser hacia la rueda para eliminar las moléculas de gramicidina de la superficie. Los pulsos láser deben ser suficientemente cortos (de unos pocos femtosegundos de longitud) para quitar las biomoléculas sin dañarlas.

Las moléculas de gramicidina flotantes se recogen en un haz de átomos de argón que viajan a 600 metros por segundo. En este haz, la gramicidina tiene una longitud de onda de 350 femtómetros (1 femtómetro es 1x10 -15 metros). El paso final consist een medir el patrón creado por la onda que interfiere consigo misma. Quizá, esta fue la parte más difícil del experimento.

La longitud de onda del haz es aproximadamente una milésima de la de las biomoléculas en sí (según lo cerca que se pueden juntar). Así que, el equipo necesitaba una técnica capaz de medir patrones a esa escala. Ahí es donde entró la interferometría. El equipo utilizó una técnica extraordinariamente sensible conocida como interferometría Talbot-Lau para medir el tamaño del patrón de interferencia.

Y los resultados son convincentes. "La coherencia molecular se deslocaliza más de 20 veces el tamaño molecular", asegura Shayeghi. Este tipo de "muestra" de las biomoléculas sería imposible si las moléculas de gramicidina fueran partículas puras. Solo resulta posible mediante la interferencia ondulatoria.

Otros investigadores han medido la dualidad onda-partícula para algunas moléculas más grandes. Pero sus técnicas destrozarían las delicadas moléculas de la vida. Esta nueva técnica permitirá un estudio más detallado de las propiedades cuánticas de las biomoléculas.

"La realización exitosa de la óptica cuántica con este polipéptido como biomolécula prototípica allana el camino para la metrología de la molécula asistida cuántica y, en concreto, para la espectroscopía óptica de una gran variedad de moléculas biológicamente relevantes", concluyen los investigadores. Se trata de una investigación interesante con un importante potencial para ayudar a separar los complejos procesos que tienen lugar en la maquinaria de la vida.

Ref: arxiv.org/abs/1910.14538Matter-Wave Interference Of A Native Polypeptide

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