Paso de gigante hacia la comprensión de procesos biológicos
El proyecto PAPETS (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) se centró en dos procesos biológicos esenciales, a saber, la fotosíntesis, mediante la cual las plantas verdes utilizan la luz del sol para sintetizar nutrientes a partir del dióxido de carbono y el agua, y el olfato, que es la capacidad de reconocer y distinguir distintos olores. Conocer cómo funciona la fotosíntesis en el nivel más fundamental se podría utilizar para diseñar celdas solares mucho más eficientes, mientras que las tecnologías artificiales de detección de olores se podrían utilizar para detectar impurezas o contaminación en los sectores de la alimentación, el agua, la cosmética o los fármacos. Lecciones de la naturaleza «A diferencia de la vista, el oído o el tacto, el sentido del olfato es difícil de reproducir artificialmente con alta eficiencia», explicó el coordinador del proyecto PAPETS, el Dr. Yasser Omar, del Instituto de Telecomunicações (Portugal). «Conseguimos demostrar que las vibraciones internas de una molécula son una huella distintiva de su olor y creemos que en ellas podría intervenir el efecto túnel de electrones». A continuación, estos hallazgos, obtenidos mediante experimentos científicos rigurosos y estudios del comportamiento de moscas Drosophila, se demostraron en distintas demostraciones, para ayudar a comunicar esta ciencia compleja a un público general. «Nuestras demostraciones proporcionaron una explicación interactiva y guiada de la probabilidad de que nuestro sentido del olfato utilice las vibraciones de los odorantes para distinguir las fragancias», indica Omar. «Permitimos a los visitantes oler fragancias con la misma estructura pero enriquecidas con distintos niveles de isótopos de hidrógeno, de modo que tienen una forma parecida, pero vibran con frecuencias distintas. Así pues, quienes pudieron diferenciar los isótopos pudieron oler moléculas que tienen una forma muy parecida pero vibran de forma distinta; de hecho, ¡olieron las vibraciones! Otro logro del proyecto pasó por el estudio de un mecanismo vibrónico que explica cómo se transporta la energía en los complejos fotosintéticos. Se observó que este mecanismo desempeña un papel esencial en el proceso de separación de carga en las estructuras fotovoltaicas orgánicas. Los resultados de esta observación se publicaron en la revista «Nature Communications» en diciembre de 2016. «Esto sugiere la posibilidad de que el concepto de acoplamiento vibrónico, desarrollado a partir del estudio de la fotosíntesis, se podría aprovechar para mejorar las celdas solares», expone Omar. El proyecto también estudió cómo los organismos fotosintéticos utilizan antenas con estructuras sofisticadas para captar la energía de la luz del sol. Después de captar la luz, esta energía se transfiere rápidamente por la antena, que conserva sus funciones a pesar del entorno fluctuante donde se encuentra. El equipo al cargo registró con exactitud este proceso en funcionamiento por primera vez. En última instancia, esta información única se podría aprovechar en el diseño de antenas solares artificiales. Aplicando la física cuántica Estos avances fueron posibles mediante la aplicación de la física cuántica y, en particular, del principio de «superposición». Según este principio, una partícula se puede describir como si estuviese en dos estados distintos a la vez. La superposición, aunque sea extravagante para los no expertos, se basa en ciencia pura y dura. «La superposición contribuye a que el transporte de energía sea más eficiente», dice Omar. «Un excitón, una cuasipartícula cuántica que lleva energía, puede viajar más rápidamente por el complejo fotosintético porque puede viajar por rutas distintas a la vez. Lo sorprendente y fascinante es que estos efectos cuánticos se han observado en complejos biológicos, que son sistemas grandes, húmedos y ruidosos. La superposición es frágil y sería de esperar que se destruyese en el entorno». El proyecto PAPETS, que se completó en noviembre de 2016, ha ayudado a avanzar en el conocimiento del papel que desempeñan los efectos cuánticos en procesos biológicos, en la fotosíntesis en particular, y esto tiene aplicaciones prácticas importantes. La frontera entre la biología y la física cuántica sigue siendo un área con un alto valor científico por descubrir.
Palabras clave
PAPETS, fotosíntesis, energía, biológico, cuántico, superposición, agua, dióxido de carbono
