Cómo la física cuántica está a punto de revolucionar la bioquímica

Una de las extrañas consecuencias de la mecánica cuántica es el fenómeno de la indistinguibilidad: dos partículas cuánticas pueden ser imposibles de diferenciar, incluso en principio. Esto sucede, en parte, porque es imposible determinar la posición precisa de las partículas cuánticas. Entonces, cuando dos partículas interactúan en el mismo lugar, no hay forma de saber cuál es cuál.

Eso da lugar a un comportamiento exótico, particularmente a bajas temperaturas cuando un gran número de partículas pueden comportarse de la misma manera. La indistinguibilidad de los fotones hace que los láseres sean posibles, la indistinguibilidad de los núcleos de helio-4 a baja temperatura conduce a la superfluidez y la indistinguibilidad de otros núcleos como el rubidio conduce a los condensados ​​de Bose-Einstein. La indistinguibilidad es rica en fenómenos misteriosos.

Pero algunas partículas cuánticas no son indistinguibles de esta manera. Los electrones, por ejemplo, tienen prohibido compartir el mismo estado por una ley conocida como el principio de exclusión de Pauli. Y eso conduce a un tipo diferente de física. Las interacciones entre electrones, gobernadas por este principio de exclusión de Pauli, se llama química y es igualmente rica en comportamientos exóticos.

Durante mucho tiempo se pensó que los mundos de la química y la física indistinguibles eran completamente separados. La indistinguibilidad generalmente ocurre a bajas temperaturas, mientras que la química requiere temperaturas relativamente altas donde los objetos tienden a perder sus propiedades cuánticas. Como resultado, los químicos se han sentido confiados durante mucho tiempo al ignorar los efectos de la indistinguibilidad cuántica.

Hoy, Matthew Fisher y Leo Radzihovsky de la Universidad de California, Santa Bárbara, dicen que esta confianza está fuera de lugar. Muestran por primera vez que la indistinguibilidad cuántica debe desempeñar un papel importante en algunos procesos químicos, incluso a temperaturas ordinarias. Y dicen que esta influencia conduce a un fenómeno químico completamente nuevo, como la separación de isótopos, y también podría explicar un fenómeno previamente misterioso, como la actividad química mejorada de las especies reactivas de oxígeno.

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En resumen, Fisher y Radzihovsky están poniendo la química patas arriba.

La pregunta clave detrás de este nuevo pensamiento es si las propiedades cuánticas realmente pueden ignorarse en la mayoría de las reacciones químicas. Fisher y Radzihovsky dicen que si bien puede ser generalmente cierto que las propiedades cuánticas se pierden a altas temperaturas, ciertos fenómenos cuánticos perduran.

Apuntan en particular a la coherencia cuántica de los núcleos atómicos. Los físicos saben desde hace mucho tiempo que los giros de los núcleos pueden permanecer coherentes en escalas de tiempo de minutos u horas. De hecho, explotan este fenómeno en una amplia gama de experimentos de computación cuántica que se basan en espines nucleares para almacenar información cuántica.

Es fácil pensar que los espines nucleares no tienen un efecto significativo en la forma en que los electrones interactúan entre sí en las reacciones químicas.

Pero ese no es el caso, dicen Fisher y Radzihovsky. Los espines nucleares pueden acoplarse fácilmente a otros estados físicos, como la forma en que vibra una molécula. Cuando esto sucede, las propiedades de indistinguibilidad que normalmente se limitan a los núcleos se filtran e influyen en la molécula como un todo.

Fisher y Radzihovsky dicen que esto tiene un efecto particularmente fuerte en las moléculas simétricas pequeñas, como el agua o el hidrógeno. La razón es que cuando los espines de dos núcleos interactúan, la simetría dicta que pueden adoptar ciertas configuraciones pero no otras.

Cuando esa simetría se filtra al mundo químico, significa que la molécula puede interactuar solo en situaciones con una simetría de espín similar.

Por ejemplo, una molécula de hidrógeno o agua contiene dos núcleos de hidrógeno que pueden girar en la misma dirección, en cuyo caso la molécula se conoce como orto-agua, o en direcciones opuestas, en cuyo caso la molécula se conoce como para-agua. Estos diferentes arreglos de la misma molécula se conocen como isómeros de espín.

Eso tiene implicaciones para la forma en que las moléculas interactúan entre sí. En muchas reacciones químicas, la forma en que las moléculas se unen es importante. Si las moléculas no pueden encajar como una llave en una cerradura, la reacción no puede ocurrir.

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Fisher y Radzihovsky muestran que la indistinguibilidad cuántica influye en la forma en que las moléculas encajan porque evita interacciones que no coinciden con la simetría de los núcleos.

Los investigadores continúan demostrando que este efecto hace que las moléculas para sean significativamente más reactivas que las moléculas orto, porque su simetría coincide con la de una gama más amplia de otras moléculas.

Un área en la que esto puede desempeñar un papel importante es en la catálisis enzimática. Muchas enzimas dependen del hidrógeno para hacer su trabajo. Ahora Fisher y Radzihovsky muestran que la indistinguibilidad cuántica debe tener una influencia significativa en este proceso.

Probar esta predicción será complicado. La forma obvia es medir el resultado de la misma reacción realizada con versiones orto y para de las moléculas. Pero esto es más fácil decirlo que hacerlo. Las versiones orto y para de la misma molécula son difíciles de separar. Los químicos lo lograron para el agua por primera vez solo en 2014.

El comportamiento químico del agua y el hidrógeno es solo el comienzo. Fisher y Radzihovsky dan numerosos ejemplos de otros procesos químicos que también deberían estar influenciados por la indistinguibilidad cuántica. Estos incluyen el fraccionamiento de isótopos para el cual la indistinguibilidad cuántica proporciona un nuevo mecanismo, el fenómeno también explica la actividad química mejorada de las especies reactivas de oxígeno y proporciona una forma para que los espines de los núcleos influyan en las moléculas bioquímicas en general.

Hay un rico tesoro de comportamiento exótico para estudiar aquí. Probar estas ideas será difícil, pero las recompensas (una mejor comprensión de algunos de los fenómenos biológicos más sutiles e importantes de la química) proporcionarán una motivación sustancial. Espera escuchar más.

Ref: arxiv.org/abs/1707.05320 : Indistinguibilidad cuántica en reacciones químicas

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