Un físico israelí ha investigado el plegamiento de proteínas desde el punto de vista cuántico y observado que el tiempo requerido para estos procesos disminuye a medida que la temperatura se reduce. También comprobó que es posible identificar la ubicación de una partícula cuántica con precisión, poniendo límites así al principio de incertidumbre de Heisenberg.

proteinas fisica cuántica
© JohnsonMartin
Las proteínas son cadenas moleculares largas que se pliegan en formas tridimensionales muy específicas para funcionar. Y a medida que avanzan en sus vidas, se despliegan y se repliegan, abriéndose y regresando a sus estructuras preestablecidas.

Para que el cuerpo funcione apropiadamente, la secuencia de aminoácidos tiene que ser plegada en una definida estructura tridimensional dentro de cada célula. Si falla este proceso de plegado de alta complejidad, aparecen enfermedades graves como el cáncer, el Alzheimer o el Parkinson.

Las dinámicas del plegamiento de las proteínas pueden ser descritas por las leyes de la física. En el pasado, por ejemplo, los investigadores usaron las leyes de la mecánica clásica para preguntar: ¿Cuánto tiempo, en promedio, se necesita para que una proteína se abra o se repliegue? ¿Cuál es el rango de tiempos en los que tiene lugar una acción molecular particular?

El Prof. Eli Pollak del Departamento de Química Física de la Ciencia del Instituto Weizmann, en Israel, que había desarrollado una teoría para estos procesos moleculares basados en la mecánica clásica de Newton, pensó que el mismo problema podría generalizarse y lo ha estudiado desde el punto de vista de la mecánica cuántica.

Por supuesto, hacer preguntas sobre el tiempo en la mecánica cuántica es difícil, como la pregunta básica relativa a ¿qué es el tiempo? Esto todavía no se ha respondido satisfactoriamente en un marco de física cuántica, explica el Instituto Wezmann en un comunicado.

Cambio de estado cuántico

Para resolver el problema del tiempo cuántico, Pollak demostró que uno puede investigar la probabilidad de que en cualquier punto particular en el tiempo, el sistema sufra un cambio de un estado cuántico a otro estado cuántico.

Para entender la aportación de Pollak hay que conocer el efecto túnel, específico de los procesos cuánticos. El efecto túnel permite que una partícula cuántica penetre y atraviese una zona que, en principio, sería imposible, porque no tiene energía suficiente para conseguirlo.

Esta evidencia del mundo físico no funciona en el mundo cuántico, porque a pesar de esa dificultad, la partícula cuántica es capaz de penetrar y atravesar una zona en la que teóricamente no puede estar, como si existiera un túnel invisible a través del cual la partícula cuántica sorteara el obstáculo. Se conoce como efecto túnel.

Un ejemplo clásico para explicar el efecto túnel es cortar el cable que ilumina una bombilla. Al quedar los dos extremos del cable separados, podemos suponer que los electrones no pueden saltar del uno al otro, y que por lo tanto, la bombilla no se enciende.

El efecto túnel demuestra que, a pesar de esa ruptura, los electrones siguen pasando, como si existiera un túnel entre ambos extremos. De todas formas, hay que tener en cuenta que el efecto túnel no se produce siempre y que no todos los electrones superan el vacío entre uno y otro extremo del cable.

Menos tiempo a menos temperatura

Pollak se preguntó, siguiendo su razonamiento, ¿cuánto tiempo necesita una partícula cuántica para atravesar el efecto túnel? Pollak calculó este proceso y demostró que a las bajas temperaturas en las que surgen los fenómenos cuánticos, el tiempo promedio requerido para "atravesar el túnel" disminuye a medida que la temperatura se reduce.

En una continuación del mismo cálculo, demostró también que la "longitud del túnel" también influye: a veces, cuanto más larga es la distancia a recorrer por una partícula, más corto es el tiempo requerido. Es decir, cuanto más larga es la distancia que recorre un sistema cuántico que se mueve, y por lo tanto, cuanto mayor es el cambio, más corto es el tiempo invertido en el proceso.

Otro desarrollo derivado del mismo cálculo llevó a Pollak a otra conclusión sorprendente: en sistemas biológicos como los que investigó, es posible identificar la ubicación de una partícula móvil cuántica con precisión casi exacta.

Este hallazgo limita el principio de incertidumbre de Heisenberg, según el cual que es imposible medir simultáneamente, y con precisión absoluta, el valor de la posición y la cantidad de movimiento de una partícula.

Estos cálculos aparecieron en dos artículos publicados en el Journal of Physical Chemistry Letters y Physical Review Letters.

Pollak dice que el enfoque del estudio del tiempo a través de los cambios espaciales nos está acercando a entender el papel del tiempo en los sistemas que operan de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica.
Referencias

Quantum Tunneling: The Longer the Path, the Less Time it Takes. Eli Pollak. J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8 (2), pp 352 - 356. DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b02692

Transition Path Time Distribution, Tunneling Times, Friction, and Uncertainty. Eli Pollak. Phys. Rev. Lett. 118, 070401. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.070401