La transferencia de protones está directamente influenciada por el espín de los electrones, cuando se mide en entornos biológicos quirales como las proteínas. En otras palabras, el movimiento de protones en los sistemas vivos no es puramente químico; también es un proceso cuántico que involucra el espín de los electrones y la quiralidad molecular. El proceso cuántico afecta directamente a los pequeños movimientos del entorno biológico que apoyan la transferencia de protones.
El trabajo fue dirigido por un equipo de investigadores de la Universidad Hebrea de Jerusalem en colaboración con el Prof. Ron Naaman del Instituto Weizmann de Ciencias y la Prof. Nurit Ashkenasy de la Universidad Ben Gurion, logrando un gran avance científico, revelando una sorprendente conexión entre el movimiento de electrones y protones en los sistemas biológicos.
Dirigido por Naama Goren y el profesor Yossi Paltiel, del Departamento de Física Aplicada y el Centro de Nanociencia y Nanotecnología, junto con el profesor Nir Keren y Oded Livnah, del Instituto para las Ciencias de la Vida de la Universidad Hebrea, el equipo descubrió que en ciertos cristales biológicos, como la lisozima (una enzima que se encuentra en muchos organismos vivos), las diminutas partículas llamadas electrones y protones no solo se mueven de forma independiente, sino que están estrechamente vinculadas.
El transporte de protones es crucial para muchos procesos de la vida, como la forma en que las células producen energía. Hasta ahora, se creía ampliamente que los protones se movían principalmente saltando entre moléculas de agua y aminoácidos. Pero el nuevo estudio muestra que este movimiento también está conectado con el espín de los electrones, una propiedad cuántica que describe cómo los electrones se comportan como pequeños imanes.
Los investigadores demostraron que cuando inyectaron electrones con un espín específico en los cristales de lisozima, cambiaron significativamente la facilidad con la que los protones podían moverse a través del material.
Cuando se inyectaron electrones con el espín opuesto, el movimiento de los protones se vio notablemente obstaculizado. Este efecto está relacionado con la excitación de los fonones quirales (vibraciones en la red cristalina) que median el acoplamiento entre el espín del electrón y la movilidad del protón. Este descubrimiento está relacionado con un fenómeno conocido como efecto de selectividad de espín inducido quiral (CISS), que explica cómo las moléculas quirales (o “manuales”), moléculas que tienen un giro o forma específica, interactúan de manera diferente con los espines de los electrones.
“Nuestros hallazgos muestran que la forma en que los protones se mueven en los sistemas biológicos no se trata solo de química, sino también de física cuántica”, dijo Goren. “Esto abre nuevas puertas para comprender cómo se transfieren la información y la energía dentro de los seres vivos”.
El profesor Paltiel agregó: “Esta conexión entre el espín de los electrones y el movimiento de los protones podría conducir a nuevas tecnologías que imiten los procesos biológicos, e incluso nuevas formas de controlar la transferencia de información dentro de las células”.
Al unir los mundos de la física cuántica y la bioquímica, la investigación del equipo de la Universidad Hebrea proporciona nuevos conocimientos sobre el funcionamiento interno de la vida y podría allanar el camino para innovaciones en medicina, energía y nanotecnología.
El artículo de investigación titulado “Coupling between electrons’ spin and proton transfer in chiral biological crystals”, ya está disponible.
Investigadores:
Naama Goren1, Perumal Pandurangan2, Yael Eisenberg-Domovich3, Shira Yochelis1, Nir Keren4, Jean-Philippe Ansermet5, Ron Naaman6, Oded Livnah3, Nurit Ashkenasy2 y Yossi Paltiel.
Instituciones:
1. Departamento de Física Aplicada, Centro de Nanociencia y Nanotecnología, Universidad Hebrea de Jerusalem.
2. Departamento de Ingeniería de Materiales, Instituto Ilse Katz de Ciencia y Tecnología a Nanoescala, Universidad Ben-Gurion del Negev.
3. Centro Wolfson de Biología Estructural Aplicada, Departamento de Química Biológica, Instituto Alexander Silberman para las Ciencias de la Vida, Universidad Hebrea de Jerusalem.
4. Departamento de Ciencias Vegetales y Ambientales, Instituto Alexander Silberman para las Ciencias de la Vida, Universidad Hebrea de Jerusalem.
5. Instituto de Física, Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL).
6. Departamento de Física Química y Biológica, Instituto Weizmann.
