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Biologia Quantistica

Biologia Quantistica

Articolo di Riccardo Bugliosi per Medicina 4.0 sulla Biologia Quantistica

di Riccardo Bugliosi

Le scoperte scientifiche e le innovazioni tecnologiche degli ultimi anni hanno permesso enormi progressi nella comprensione dei sistemi biologici sia a livello macro che microscopico e di conseguenza è aumentata esponenzialmente la nostra capacità di interagirci. Esemplari sono stati gli esempi forniti dal protein folding e dagli sviluppi dell’ingegneria genetica.

A questo punto è possibile fare un ulteriore salto nel futuro accennando ad una branca scientifica ancora poco formalizzata ma che sarà foriera di grandi rivoluzioni anche in campo medico: la biologia quantistica.

La biologia quantistica può essere definita come lo studio dell’applicazione delle leggi della fisica quantistica a quegli aspetti della biologia che non possono essere descritti in maniera esaustiva dalle leggi della fisica classica. Molti processi biologici conosciuti hanno alla loro base la trasformazione dell’energia per produrre reazioni chimiche ed è stato scoperto che queste sono di natura quantistica. Come è noto, le leggi della fisica classica sono il fondamento della descrizione del mondo macroscopico nel quale viviamo.

Per fare un esempio le leggi del moto che abbiamo appreso a scuola sono utili per calcolare le orbite dei pianeti attorno al sole oppure le orbite dei satelliti che ruotano attorno alla terra ma non funzionano su scala atomica, a questa scala di grandezza valgono le leggi della meccanica quantistica, con tutte le loro apparenti idiosincrasie.

In generale e semplificando si può affermare che gli effetti quantistici si manifestano solo se il sistema che stiamo studiando opera a dimensioni atomiche oppure a temperature vicine allo zero assoluto. Su scale e temperature maggiori, il mondo dei nostri sensi, quello che ci circonda, può
essere descritto utilizzando le leggi della meccanica classica.

Il mondo delle particelle è governato da una serie di leggi le cui conseguenze contraddicono la nostra logica, ci possono sembrare assurde. Lo stesso Einstein ha avuto costantemente un rapporto molto critico ed anche conflittuale con gli assunti della meccanica quantistica, per esempio non è mai riuscito a digerire l’entanglement e per capire il motivo di tanta ostilità è utile descriverlo. L’entanglement è un fenomeno quantistico nel quale due o più particelle possono diventare intrinsecamente correlate facendo in modo che lo stato di una influenzi simultaneamente lo stato dell’altra, qualunque sia la distanza a cui si trovano. Tutto questo va in conflitto con la teoria della
relatività ristretta che postula che nulla possa superare la velocità della luce e quindi non esista una vera ‘istantaneità’.  Volendo sintetizzare, due particelle ‘correlate’, delle quali una è sulla terra e l’altra su Marte, grazie all’entanglement possono comunicare contemporaneamente senza attendere i 12 minuti circa che i fotoni della luce, il segnale più veloce che conosciamo, impiegherebbero a colmare la distanza.  Oggi l’entanglement è stato rigorosamente dimostrato.

Fatta questa apparentemente bizzarra introduzione, cominciamo a descrivere una serie di aspetti della fisica quantistica che sono alla base di fenomeni biologici e ne spiegano il meccanismo.

 

Mutazioni genetiche ed Effetto Tunnel

L’effetto tunnel quantistico può essere descritto come il fenomeno in base al quale una particella, in particolari condizioni, riesce a superare una barriera di potenziale sebbene secondo la fisica classica non abbia abbastanza energia per farlo. Per fare un’analogia, è come se fosse possibile calciare una palla oltre un muro pur non avendole impresso una spinta sufficiente per poterlo superare e quindi cadere dal lato opposto. In poche parole, secondo la fisica quantistica, la palla può passare attraverso il muro. Questo comportamento è correlato al principio di indeterminazione di Heisenberg nel quale si afferma che non possiamo conoscere simultaneamente con precisione la posizione e la quantità di moto (la velocità) di una particella. Questa indeterminazione è fondamentale e rappresenta una limitazione intrinseca alla precisione con cui possiamo ‘misurare’ il mondo subatomico. Nel nostro caso questo principio può comportare la scomparsa di una particella quantistica in una precisa posizione e la sua ricomparsa nelle vicinanze e ci permette di avere una spiegazione di fenomeni bizzarri e controintuitivi.

Una rivoluzionaria applicazione di questa proprietà quantistica sono i microscopi a effetto tunnel (STM, Scanning Tunneling Microscope) che sono dispositivi utilizzati per ottenere immagini ad altissima risoluzione della superficie di materiali a livello atomico. Sono alla base dello sviluppo delle nanotecnologie e delle scienze dei materiali.

Tornando alla biologia, è stato scoperto che gli atomi di idrogeno, il collante che tiene uniti i due filamenti della doppia elica di DNA possono, in certe condizioni, comportarsi come onde e quindi possono esistere in più posizioni contemporaneamente. Questo comporta che detti atomi possono trovarsi occasionalmente sul filamento di DNA dal lato sbagliato, portando quindi alla comparsa di mutazioni. Sebbene questi effetti tunnel abbiano una durata estremamente breve è probabile che, durante il processo di replicazione del DNA, perdurino abbastanza da permettere loro di produrre alterazioni genetiche. Recentemente questo fenomeno è stato dimostrato in uno studio dei ricercatori del Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center dell’Università del Surrey.

Fotosintesi e sovrapposizione quantistica

La fotosintesi è un processo biologico che permette alle cellule fotosintetiche presenti nelle piante di sintetizzare composti organici a partire da materiali inorganici utilizzando come fonte di energia la luce solare. La caratteristica più sorprendente di questo processo è la sua estrema efficienza, sappiamo infatti che gli effetti quantistici coinvolti permettono di raggiungere l’efficienza più alta di tutte le reazioni naturali o artificiali conosciute: vicino al 100%.

Nella complessa catena di eventi della fotosintesi è presente un elemento quantistico nello stadio di reazione alla luce, il primissimo passo.

È stato di recente pubblicato su Nature uno studio che suggerisce che la fotosintesi viene alimentata dalla più piccola quantità di energia possibile: quella del fotone, il singolo quanto di luce visibile.

I singoli fotoni alla base del processo vengono catturati dai pigmenti fotosintetici e convertiti in eccitoni e cioè quanti di energia, che sono estremamente instabili. Dobbiamo ricordare che un quanto è l’unità fondamentale di misura di alcune grandezze fisiche, come l’energia o lo spin, in questo caso quantità di energia.    

Questa energia deve essere trasferita in particolari strutture molecolari chiamate centri di reazione dove vengono create delle vere e proprie pile chimiche molto più stabili di un eccitone. Questo trasferimento di energia deve avvenire con una velocità estrema per evitare che si dissipi. Per un eccitone un centro di reazione può essere molto distante in termini molecolari e quindi deve scegliere la via più breve attraverso il materiale fotosintetico per raggiungerlo. Sappiamo che in natura questo trasferimento avviene in maniera straordinariamente efficiente, quasi il 100%, è l’efficienza più elevata di tutte le reazioni naturali o artificiali che conosciamo ed è stato sempre un mistero come ciò sia possibile.

A questo punto dobbiamo introdurre la Sovrapposizione quantistica che è un principio che descrive la possibilità che un sistema quantistico possa esistere contemporaneamente in più stati distinti. In altre parole, mentre nella fisica classica un oggetto si trova in uno stato ben definito, in fisica quantistica un oggetto può trovarsi in una sovrapposizione di stati. Ricordiamo che in fisica lo “stato” di una particella consiste nell’insieme di tutte le informazioni che la possono descrivere in modo completo in un dato istante. Nella meccanica quantistica lo stato di una particella è descritto da una funzione d’onda che contiene informazioni sulle probabilità di trovare la particella in differenti posizioni o con differenti proprietà fisiche.

Tornando al nostro eccitone, la scelta del percorso più efficiente per raggiungere il centro di reazione può essere compiuta in quanto l’energia negli eccitoni risiede in due stati contemporaneamente, concordemente ad uno stato di sovrapposizione e ciò permette loro di esplorare simultaneamente i possibili percorsi verso i centri di reazione, ottimizzando così l’efficienza complessiva del fenomeno.

Mi preme farvi notare che ad oggi non tutti i ricercatori supportano questa interpretazione del ruolo della biologia quantistica nella fotosintesi ma resta il fatto che in diversi esperimenti sono state osservate forti evidenze a sostegno di questa ipotesi.

Le migrazioni dei pettirossi, la correlazione quantistica e lo spin

Siamo sempre stati affascinati dalle migrazioni degli uccelli, il sistema usato da questi animali per orientarsi è stato a lungo un mistero. Ora sappiamo però che utilizzano un discreto numero di metodi diversi: alcuni utilizzano punti di riferimento terrestri, altri la posizione del Sole di giorno e quella delle stelle di notte, altri seguono l’olfatto e quindi annusano la via che debbono seguire. In alcune specie l’orientamento può essere appreso dai giovani individui seguendo gli adulti durante le migrazioni. Questo permette la trasmissione delle rotte migratorie tra le generazioni.

Un caso a parte è rappresentato dal pettirosso (Erithacus rubecula) in quanto sembra avere il sistema di navigazione più affascinante: ha infatti la capacità di rilevare la direzione e l’intensità del campo magnetico terrestre e quindi di elaborare la rotta da seguire utilizzando una specie di bussola chimica. Dobbiamo ricordare che il campo magnetico terrestre è estremamente debole ed è quindi molto difficile da misurare. Sappiamo che i pettirossi usualmente migrano dal nord Europa al nord Africa ed è stato dimostrato sperimentalmente che perdono la loro capacità di orientarsi se sono bendati quindi la luce (fotoni) ha un ruolo fondamentale in questo fenomeno.

Dopo una lunga e complessa storia di ricerche e sperimentazioni si è scoperto che i pettirossi utilizzano la magnetoricezione, la capacità che diversi animali hanno di poter percepire il campo magnetico terrestre soprattutto per potersi orientare.

Conosciamo due tipi di magnetoricezione: il primo si basa sull’utilizzo di un minerale magnetico ferroso, la magnetite, che realizza una specie di bussola che si orienta rispetto all’asse Nord-Sud esattamente come le bussole della nostra comune esperienza. Il secondo tipo non è sensibile all’asse Nord-Sud e di conseguenza non discrimina tra i due poli quanto piuttosto è in grado di misurare in un dato punto l’angolo tra il campo magnetico terrestre e il piano orizzontale. Tale angolo passa dall’essere a 90° ai poli a 0° all’Equatore.

Il meccanismo alla base di questo tipo di magnetoricezione, presente nel pettirosso, è molto complesso ed è stato scoperto gradualmente sulla base di lenti progressi sperimentali ed intuizioni legate alla fisica quantistica. Questo meccanismo coinvolge i criptocromi, flavoproteine presenti nella retina dell’occhio di numerosi animali, ed è dipendente dalla luce. Alla base di questo ‘sensore-bussola’ ci sono fenomeni quantistici che gli permettono di percepire le variazioni del campo magnetico terrestre la cui intensità, ricordiamo, è bassissima. All’origine di tutto c’è una reazione chimica che produce coppie di radicali liberi. I radicali liberi sono specie chimiche altamente reattive che contengono almeno un elettrone non accoppiato negli orbitali esterni. Gli elettroni normalmente si trovano in coppie, ma i radicali liberi hanno un elettrone solitario, questo li rende instabili e pronti a reagire con altre sostanze chimiche. Questi elettroni sono soggetti alla sovrapposizione quantistica e quindi il loro stato è molto instabile e, soprattutto, risultato essere sensibili ad un campo magnetico esterno. La stimolazione di questa bussola avviene mediante i fotoni di luce che innescano i successivi processi necessari al suo funzionamento e questo spiega la localizzazione nell’occhio del pettirosso.

La cosa interessante di questo meccanismo è che è sensibile ad a specifiche frequenze di oscillazione del campo magnetico, il che lo rende selettivo e non influenzabile da altri campi magnetici, per quanto intensi.

Fisiologia, Elettroni e Spin

Un alto numero di processi biologici fondamentali è influenzato da deboli campi magnetici. Lo sviluppo e la maturazione delle cellule staminali, i tassi di proliferazione cellulare e la riparazione del materiale genetico sono esempi di fenomeni influenzati da questa interazione. Per approfondire questo discorso dobbiamo parlare dello spin.

Lo spin è una proprietà quantistica delle particelle. Nel caso degli elettroni si aggiunge alle loro due altre principali proprietà: massa relativamente piccola e carica elettrica negativa. Esattamente come la carica elettrica definisce come gli elettroni interagiscono con un campo elettrico così lo spin definisce la loro interazione con un campo magnetico.

Tutti conosciamo la RMN (Risonanza Magnetica Nucleare), la tecnica di imaging così importante in medicina. Nella RMN viene sfruttato il fatto che l’applicazione al nostro corpo di un campo magnetico esterno fa sì gli spin dei nuclei atomici si orientano parallelamente o antiparallelamente ad esso e la differenza tra questi due stati energetici (parallelo o no) è quantizzata e questo è alla base delle immagini che vediamo.

Alcuni degli esperimenti quantistici attualmente in corso mirano ad applicare deboli campi magnetici per modificare gli spin di particolari elettroni. Le risposte ai campi magnetici che osserviamo nella fisiologia sono prodotte da reazioni chimiche che a loro volta dipendono dallo spin di specifici elettroni all’interno delle molecole. L’applicazione di un campo magnetico debole per modificare gli spin degli elettroni può quindi controllare efficacemente i prodotti finali di una reazione chimica, con importanti conseguenze fisiologiche. L’applicazione di un campo magnetico debole capace di modificare gli spin degli elettroni può quindi controllare efficacemente i prodotti finali di una reazione chimica, con fondamentali conseguenze biologiche.

Allo stato attuale delle ricerche non sappiamo esattamente come funzionano tali processi e quindi non siamo in grado di determinare esattamente come correlare le variazioni dei campi magnetici con specifiche reazioni chimiche nelle cellule ma quando avremo un modello matematico che permetta di correlare le cause quantistiche ai rispettivi risultati fisiologici avremo uno strumento di biologia quantistica i cui utilizzi sono praticamente infiniti.

In futuro queste tecnologie permetteranno di sviluppare dispositivi medico terapeutici non invasivi e controllati a distanza anche tramite uno smartphone o magari uno smartwatch. Questi dispositivi potrebbero essere potenzialmente utilizzati per prevenire e curare una vasta gamma di patologie incluse le neoplasie.

Ingegneria Genetica, Intelligenza Artificiale e Computer Quantistici

La biologia quantistica è uno dei campi più interdisciplinari mai emersi. Come esempio possiamo osservare ciò che stanno facendo presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) dove stanno utilizzando la biologia quantistica, l’intelligenza artificiale e la bioingegneria per migliorare le prestazioni del CRISPR/Cas9, strumento utilizzato per modificare il codice genetico di un organismo.

CRISPR/Cas9 (si pronuncia crisper) è basato sull’utilizzo della proteina Cas9 che è assimilabile ad una forbice molecolare in grado di tagliare un DNA bersaglio ottenendo quindi specifiche modifiche al genoma di una cellula. Questi studi sono finalizzati alla produzione di microrganismi capaci di produrre combustibili rinnovabili. Gli studiosi dell’ORNL hanno utilizzato la biologia quantistica per comprendere meglio le dinamiche biofisiche che avvengono a livello elementare nei nuclei delle cellule, dove è conservato il materiale genetico. Si tratta di un innovativo approccio alla comprensione degli effetti che la struttura elettronica può avere sulle proprietà chimiche e sulle interazioni dei nucleotidi del DNA e dell’RNA.

 

La peculiare capacità di calcolo necessaria per far funzionare i modelli di Intelligenza Artificiale correlati alla biologia quantistica sarà presto offerta dai computer quantistici. Questo tipo di computer, al momento ancora sperimentali, sono caratterizzati da fatto che al loro interno l’informazione è codificata utilizzando oggetti quantistici. Avremo l’informatica quantistica, non più basata sui bit, unità elementari di informazione che possono assumere solo due valori (0 oppure 1) ma sui bit quantistici (qubit). I qubit sono veicolati da particelle subatomiche (fotoni, elettroni, etc.) che possono rappresentare il valore 0, 1 oppure una combinazione di entrambi, in uno stato che viene chiamato sovrapposizione. Come se non bastasse lo stato dei qbit può essere rappresentato da altre proprietà quantistiche come l’interferenza e l’entanglement. È interessante notare che per far sì si possano sfruttare dette proprietà, il chip quantistico deve poter funzionare a temperature vicinissime allo 0 assoluto (0 gradi Kelvin corrisponde a -273,15 C°). In effetti questi processori funzionano a temperature inferiori a quelle presenti nello spazio cosmico che è di circa 3 K (-270,15 C°)

La specifica e rivoluzionaria struttura dei computer quantistici permetterà enormi sviluppi in tutte quelle aree di ricerca che richiedono una smisurata capacità di elaborazione e che attualmente hanno grandi difficoltà o addirittura non possono essere eseguite sui computer con architettura tradizionale. Tra questi campi sono principalmente l’intelligenza artificiale, la cybersecurity, la ricerca di nuovi farmaci, la meteorologia.

Di seguito vi suggerisco un recente video di Google sui computer quantistici semplice ma esplicativo:

 

Dopo questa breve e concisa digressione su alcuni aspetti della biologia quantistica immagino sia facile intuire la rivoluzione che si prospetta nel campo medico associata alla futura disponibilità di nuove terapie per una vasta gamma di patologie.

La mia gratitudine va la Prof. Jim Al-Khalili il cui lavoro e le cui opere di divulgazione sono state
fondamentali per approcciare questa materia
.

A presto.

Crediti fotografici:

L’immagine iniziale è di Paola Blasi, cui va il mio ringraziamento. Le altre immagini sono da Pixabay

Per contattare l’autore potete scrivere una mail a: comunicazione@cassagaleno.it

Riccardo Bugliosi è medico, specialista in Medicina Interna. Ha pregressi studi universitari in Fisica ed Ingegneria Elettronica. Esperto di Intelligenza Artificiale lavora nell’ICT. Le sue pubblicazioni sono facilmente reperibili sul web.

Riccardo Bugliosi è medico, specialista in Medicina Interna. Ha pregressi studi universitari in Fisica ed Ingegneria Elettronica. Esperto di Intelligenza Artificiale lavora nell’ICT. Le sue pubblicazioni sono facilmente reperibili sul web.

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