Un sorprendente estudio sobre la migración de la energía electrónica en los microtúbulos ha revelado la inesperada capacidad de estas estructuras celulares para captar luz [1]. Publicado en la revista ACS Central Science, el estudio «Electronic Energy Migration in Microtubules» («Migración de energía electrónica en microtúbulos»), realizado por una coalición de investigadores de múltiples instituciones -entre ellas Princeton, Stanford, Oxford, la Universidad Estatal de Arizona y el Instituto Indio de Tecnología de Delhi-, ha demostrado que los microtúbulos, polímeros cilíndricos de proteína tubulina, pueden conducir energía electrónica a distancias de hasta 6,6 nm, comparables a las de algunos complejos fotosintéticos. El orden cristalino de los microtúbulos alinea las subunidades cromóforas de aminoácidos captadores de luz lo suficientemente cerca como para efectuar una transferencia de energía excitónica de alcance relativamente largo a lo largo de los filamentos del citoesqueleto. Los resultados del estudio demostraron que, tras la fotoexcitación, los cromóforos de aminoácidos presentaban una transferencia resonante de energía de excitación a lo largo del microtúbulo comparable en eficacia a la de los sistemas artificiales de captación de luz, lo que sugiere que son estructuras macromoleculares naturales de captación eficaz de luz y que pueden dirigir la difusión coherente de excitones a distancias mucho mayores de lo que se suponía anteriormente a partir de cálculos de primer orden. Este hallazgo desafía los supuestos previos sobre las propiedades cuánticas de los sistemas biológicos y puede tener implicaciones significativas para nuestra comprensión de los procesos celulares, los mecanismos anestésicos que implican a los microtúbulos en los procesos cognitivos, la mecánica optoeléctrica macromolecular en el procesamiento de la información celular y el desarrollo de tecnologías bioinspiradas.

Qué son los Microtúbulos

Los microtúbulos son estructuras filamentosas dinámicas y cilíndricas compuestas por subunidades de la proteína tubulina, que desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento de la forma celular, permiten el transporte intracelular, la motilidad celular y facilitan la segregación cromosómica durante la división celular. Estos polímeros forman parte integral del citoesqueleto, proporcionando soporte estructural y sirviendo de vías para las proteínas motoras que transportan la carga celular, por lo que son fundamentales para la organización celular interna. Más allá de sus funciones mecánicas y de motilidad, los microtúbulos han sido implicados en la señalización celular a través de múltiples mecanismos [2, 3, 4, Microtubule-Actin Network Within Neuron Regulates the Precise Timing of Electrical Signals via Electromagnetic Vortices]. Sus posibles funciones en la orquestación del procesamiento de la información celular, que cada vez parece más multitudinario -incluso potencialmente subyacente a los procesos cognitivos-, se han convertido en un área de interés para muchos investigadores.

Estudios recientes han descubierto propiedades cuánticas intrigantes en el interior de los microtúbulos, en particular en relación con residuos de aminoácidos aromáticos como el triptófano [5]. Estos residuos son capaces de participar en la transferencia de energía electrónica, un proceso esencial para diversas funciones celulares. El triptófano, conocido por sus características únicas de fluorescencia, actúa como un actor clave en estos fenómenos cuánticos. Contribuye a la formación de redes conductoras de energía dentro de la estructura microtubular, facilitando la migración de energía a larga distancia y favoreciendo potencialmente la coherencia cuántica. Este descubrimiento abre nuevas vías para explorar la intersección entre la biología cuántica y la dinámica celular, ofreciendo una visión de los procesos fundamentales que sustentan la vida a nivel molecular.

Los aminoácidos aromáticos como el triptófano son residuos (es decir, subunidades) de la proteína tubulina (figura 1, A) y cuando los dímeros de tubulina se polimerizan en conjuntos cristalinos helicoidales de microtúbulos protofilamentos (figura 1, B), las antenas resonadoras de aminoácidos aromáticos forman redes coordinadas, con algunas «mega-redes» que implican hasta 10.000 residuos (véase nuestro artículo Long-range Collective Quantum Coherence in Tryptophan Mega-Networks of Biological Architectures).

Stuart Hameroff, un anestesista de la Universidad de Arizona que, en colaboración con el físico y premio Nobel Sir Roger Penrose, formuló una de las primeras teorías de la consciencia que implicaba la dinámica subcelular e incluso mecanismos gravitatorios cuánticos, predijo hace tiempo el papel de las moléculas orgánicas de «resonancia de electrones pi» benceno/fenilo, como el triptófano y la tirosina, en las posibles propiedades coherentes cuánticas colectivas de los microtúbulos [6, 7].

Hameroff y sus colegas postularon que el acoplamiento de largo alcance de los dipolos oscilantes de los residuos de aminoácidos aromáticos en los monómeros de tubulina de los microtúbulos podría procesar la información de formas únicas -como el procesamiento paralelo masivo debido a la sincronización colectiva de los osciladores dipolares- y propusieron un mecanismo de reducción orquestada de objetivos (Orch-OR, Figura 2).

Esta teoría, propuesta hace casi tres décadas, se conoce como el modelo Orch-OR y, aunque ha recibido algunas críticas a lo largo de su dilatada historia, ha resistido las pruebas tanto del escrutinio como del tiempo y recientemente ha recibido un amplio apoyo empírico a través de observaciones y mediciones experimentales directas de las propiedades cuánticas de los microtúbulos en múltiples laboratorios independientes. Una de estas observaciones experimentales que arroja luz sobre las propiedades cuánticas no triviales de los microtúbulos es un estudio reciente realizado por un equipo internacional de investigación que ha encontrado difusión de energía electrónica de largo alcance en los filamentos subcelulares, confirmando incluso la interrupción de dicha transferencia de resonancia de energía electrónica acoplada por moléculas anestésicas, que era otra predicción de la teoría Orch-Or de Hameroff [9].

Lo que se descubrió

El equipo de investigación, dirigido por Aarat P. Kalra y sus colegas, utilizó la autofluorescencia del triptófano para sondear la transferencia de energía entre residuos de aminoácidos aromáticos en la tubulina y los microtúbulos. Estudiando cómo la concentración de quencher altera los tiempos de vida de la autofluorescencia del triptófano, pudieron cuantificar el grado de difusión de la energía electrónica en estas estructuras.

Sus resultados mostraron que los residuos de aminoácidos aromáticos llamados cromóforos (los cromóforos son antenas sensibles a la luz en macromoléculas biológicas), como el triptófano y la tirosina, tienen una gran fuerza de acoplamiento en distancias relativamente largas, con una transferencia de energía electrónica entre residuos coordinados que se produce en aproximadamente 6,6 nanómetros para los microtúbulos. Esta longitud de difusión de energía electrónica es sorprendentemente alta porque convencionalmente se pensaba que los microtúbulos sólo desempeñaban funciones estructurales y de locomoción en la célula, y sólo recientemente se han identificado inequívocamente sus comportamientos de procesamiento fotoelectrónico, como la transferencia eficiente de energía electrónica. A modo de comparación, la clorofila a, un cromóforo del complejo fotosintético de antena, está optimizada específicamente para la transferencia de energía por resonancia y absorbe fotones con una eficacia unas 20 veces superior a la del triptófano, aunque tiene una longitud de difusión de sólo 20-80 nm.

Estos hallazgos fueron inesperados y desafían los modelos convencionales, como la teoría de Förster, que predecía distancias de difusión de energía electrónica del orden de un nanómetro para la transferencia resonante de cromóforos típica del acoplamiento dipolo-dipolo entre triptófanos, una distancia significativamente menor que la medida por Scholes et al.

Además, dado que la longitud de difusión de aproximadamente 6,6 nm está a la par con el tamaño de un solo dímero de tubulina, que equivale aproximadamente al volumen de una esfera de 7,4 nm de diámetro, indica que la transferencia de energía entre residuos de triptófano podría producirse a través de un solo dímero de tubulina dentro de un microtúbulo polimerizado. De este modo, si se produjera una fotoexcitación en un residuo de cromóforo cercano a un dímero de tubulina adyacente, podría transferirse a lo largo de la red cristalina del microtúbulo (Figura 3). El resultado es una transferencia coherente de fotones/excitones o de energía electrónica a lo largo de los filamentos de los microtúbulos, que actúan como verdaderos filamentos de transmisión de información y energía en las redes reticulares macromoleculares subcelulares.

Los eventos de fotoexcitación pueden producirse continuamente a partir de la producción de especies reactivas de oxígeno de las mitocondrias, tal y como describen Kurian et al., [10] (Figura 4), en las que se sabe que las mitocondrias forman redes filamentosas helicoidales con microtúbulos (Figura 5) [11].

Curiosamente, los investigadores descubrieron que, aunque las longitudes de difusión se veían influidas por el estado de polimerización de la tubulina (tubulina libre frente a tubulina en la red de microtúbulos), no se veían alteradas de forma significativa por el número medio de protofilamentos (13 frente a 14). Esto sugiere que las propiedades de transferencia de energía son intrínsecas a la estructura de la tubulina y no dependen de arquitecturas específicas de los microtúbulos.

Cómo se realizó el estudio

Los investigadores emplearon un enfoque multifacético para investigar la migración de energía electrónica en los microtúbulos. Su metodología incluía

– Espectroscopia de estado estacionario: Esta técnica se utilizó para medir los espectros de absorción y fluorescencia de la tubulina y los microtúbulos en diversas condiciones.

– Recuento de fotones individuales relacionado con el tiempo (TCSPC): Este avanzado método permitió al equipo medir con gran precisión los tiempos de vida de la fluorescencia del triptófano, proporcionando datos cruciales sobre la dinámica de la transferencia de energía.

– Microscopía electrónica de tinción negativa: Esta técnica de imagen se utilizó para confirmar los estados de polimerización y las estructuras de los ensamblajes de tubulina estudiados (Figura 6).

Además de estos métodos experimentales, el equipo también realizó simulaciones computacionales para modelizar la migración de energía en los microtúbulos. Crearon un modelo computacional de microtúbulos compuesto por 31 anillos de tubulina apilados y lo utilizaron para calcular las fuerzas de acoplamiento para la transferencia de energía entre los residuos de tirosina y triptófano.

Los investigadores también estudiaron los efectos de los anestésicos en la transferencia de energía en los microtúbulos. Introdujeron etomidato e isoflurano en sus ensayos y midieron su impacto en la extinción de la fluorescencia del triptófano.

Investigación de la acción de los anestésicos sobre la transferencia de energía en los microtúbulos

Los investigadores llevaron a cabo una investigación detallada sobre cómo influyen los anestésicos en la transferencia de energía dentro de los microtúbulos, ya que Hameroff y sus colaboradores sostienen desde hace tiempo la teoría de que los anestésicos actúan, al menos en parte, mediante una acción inhibidora de la función microtubular, muy probablemente interrumpiendo el acoplamiento dipolo-dipolo y, por tanto, deteniendo la transferencia de energía de resonancia y la coherencia colectiva de largo alcance. Al introducir anestésicos como el etomidato y el isoflurano en sus ensayos experimentales, el equipo de investigación pudo observar cambios en el apagado de fluorescencia del triptófano, un método utilizado para evaluar el impacto de estas sustancias a nivel molecular.

Los investigadores pudieron explorar empíricamente si los microtúbulos podrían facilitar los procesos cuánticos que intervienen en los procesos cognitivos y la conciencia. Se descubrió que los anestésicos, conocidos por su capacidad para inducir la inconsciencia, interfieren en la transferencia de energía en los microtúbulos, lo que sugiere una posible relación entre la dinámica de los microtúbulos y los estados de consciencia.

Los hallazgos proponen que la interrupción de los mecanismos de transferencia de energía por los anestésicos podría inhibir los procesos cuánticos dentro de los microtúbulos necesarios para la conciencia.

Los fármacos anestésicos son eficaces en organismos que van desde los paramecios hasta las plantas y los primates (lo que sugiere que los elementos de protocognición son operables incluso en organismos unicelulares y aneurales) y se sabe que tienen dianas en el citoesqueleto, los canales iónicos y las mitocondrias [12]. Además, varios estudios recientes han implicado propiedades cuánticas no químicas, como el espín nuclear y los efectos del campo magnético, en la potencia de los anestésicos [13], lo que de nuevo pone de relieve el papel potencial de los efectos cuánticos no triviales en los microtúbulos que se ven afectados de forma verificable por los anestésicos.

Se descubrió que la acción de los anestésicos sobre la transferencia de energía de excitación altera los tiempos de vida de fluorescencia del triptófano cuando se comprueba mediante análisis espectroscópico. Se demostró que la introducción de anestésicos, etomidato e isoflurano, en ensayos con microtúbulos disminuía las longitudes de difusión de la transmisión de energía de excitación, afectaba a las interacciones dipolo-dipolo, reducía la difusión de excitones, amortiguaba la migración de energía electrónica, interfería con las interacciones de largo alcance, inhibía potencialmente el procesamiento de información basado en dipolos y, por tanto, afectaba en general a la eficacia de la migración de energía electrónica en los microtúbulos. Este comportamiento, ahora observado directamente en experimentos, apoya la hipótesis [14] de que la conmutación dipolar de largo alcance de los residuos aromáticos para el procesamiento de la información es un mecanismo activo en la red del citoesqueleto celular.

En general, esta línea de investigación abre nuevas vías para comprender cómo los anestésicos modulan la conciencia y pone de relieve el importante papel que los microtúbulos podrían desempeñar en las funciones cognitivas.

Perspectivas que pueden extraerse del estudio

Las conclusiones de este estudio tienen implicaciones de gran alcance para nuestra comprensión de los efectos cuánticos en los sistemas biológicos. Durante años, muchos expertos creyeron que el entorno biológico era demasiado «húmedo, ruidoso y cálido» para que se produjeran efectos cuánticos no triviales como la coherencia cuántica colectiva de largo alcance. Este estudio aporta pruebas contundentes de lo contrario, demostrando que la vida ha aprovechado fenómenos mecánicos cuánticos no triviales en su propio beneficio (obsérvese que existe el sentido trivial en el que la mecánica cuántica es operable en el sistema biológico, por ejemplo, determinando las configuraciones orbitales de los electrones y manteniendo unidas las moléculas; no trivial se refiere a efectos de la mecánica cuántica aparte de los que obviamente están en juego).

Estos resultados apoyan teorías como la Red Unificada de Memoria Espacial propuesta por Haramein y Brown [15], y la teoría Orch-OR de Hameroff y Penrose. Ambas teorías implican que conjuntos macromoleculares subcelulares como los microtúbulos desempeñan papeles cruciales en el procesamiento de la información y, potencialmente, en la cognición y la conciencia.

El estudio también tiene implicaciones para nuestra comprensión de los mecanismos anestésicos. El hallazgo de que la presencia de anestésicos como el etomidato y el isoflurano redujo la difusión de excitones en los microtúbulos es una indicación directa de que estos filamentos celulares optoeléctricos y la dinámica asociada de transferencia de fotones/excitones están implicados en procesos de información y energía correlacionados con la conciencia. Esta observación concuerda con las teorías según las cuales los anestésicos pueden actuar interfiriendo en la coherencia cuántica de los microtúbulos neuronales.

Asimismo, el transporte de energía por resonancia vibracional de los excitones corrobora estudios similares como el de Geesink et al. , en el que la coherencia cuántica y el entrelazamiento desempeñan un papel integral en la dinámica de procesamiento de la información por parte de estas estructuras subcelulares. En un estudio, Geesink y Schmieke descubrieron que las frecuencias de los microtúbulos cumplen dos ecuaciones de onda cuánticas propuestas de coherencia (regulación) y decoherencia (desregulación) respectivas, que describen estados cuánticos enredados y desenredados [16]. El equipo de investigación también sugiere que los microtúbulos muestran un principio de estructura autoorganizativa-sinérgica denominada estado de Fröhlich-Bose-Einstein, en el que la coherencia espacial del estado puede describirse mediante una topología toroidal. Sugieren que su estudio revela un código cuántico informativo con una relación directa de las frecuencias propias de los microtúbulos, las células madre, el ADN y las proteínas, que suministra información para realizar el orden biológico en las células de la vida y corrobora un comportamiento colectivo de tipo Fröhlich-Bose-Einstein; apoyando aún más los modelos de Tuszynski, Hameroff, Bandyopadhyay, Del Giudice y Vitiello, Katona, Pettini, Pokorny y otros destacados investigadores que han postulado propiedades cuánticas no triviales de los microtúbulos implicados en la cognición y la conciencia.

Este estudio demuestra empíricamente la resonancia colectiva de largo alcance de los osciladores dipolares en los microtúbulos, implicando al citoesqueleto en el procesamiento de la información mediante la utilización de propiedades cuánticas. Al revelar la inesperada capacidad de los microtúbulos para captar luz, la investigación desafía las visiones tradicionales de las estructuras celulares y destaca su papel potencial en la coherencia cuántica y el procesamiento de la información. Este hallazgo no sólo hace avanzar nuestra comprensión del reino cuántico dentro de la biología, sino que también abre nuevas vías para explorar cómo las nuevas formas de la materia que se encuentran en la nanomaquinaria de la vida podrían ser objeto de ingeniería inversa en tecnologías bioinspiradas y tal vez incluso revelar algo fundamental acerca de la naturaleza de la sensibilidad que es una característica clave de la vida y el sistema vivo.

Referencias

[1] A. P. Kalra et al., “Electronic Energy Migration in Microtubules,” ACS Cent. Sci., vol. 9, no. 3, pp. 352–361, Mar. 2023, doi: 10.1021/acscentsci.2c01114.

[2] C. D. Velasco, R. Santarella-Mellwig, M. Schorb, L. Gao, O. Thorn-Seshold, and A. Llobet, “Microtubule depolymerization contributes to spontaneous neurotransmitter release in vitro,” Commun Biol, vol. 6, no. 1, pp. 1–15, May 2023, doi: 10.1038/s42003-023-04779-1.

[3] B. C. Gutierrez, H. F. Cantiello, and M. del R. Cantero, “The electrical properties of isolated microtubules,” Sci Rep, vol. 13, no. 1, p. 10165, Jun. 2023, doi: 10.1038/s41598-023-36801-1

[4] Singh, P., et al. “Cytoskeletal Filaments Deep Inside a Neuron Are not Silent: They Regulate the Precise Timing of Nerve Spikes Using a Pair of Vortices.” Symmetry, 2021, 13(5), 821.

[5] S. Eh. Shirmovsky and D. V. Shulga, “Quantum relaxation processes in microtubule tryptophan system,” Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, vol. 617, p. 128687, May 2023, doi: 10.1016/j.physa.2023.128687.]

[6] Hameroff, S., & Penrose, R. “Orchestrated reduction of quantum coherence in brain microtubules: A model for consciousness.” Mathematics and Computers in Simulation, 1996, 40(3), 453-480.

[7] S. Hameroff, “Consciousness, Cognition and the Neuronal Cytoskeleton – A New Paradigm Needed in Neuroscience,” Front. Mol. Neurosci., vol. 15, Jun. 2022, doi: 10.3389/fnmol.2022.869935.

[8] S. Hameroff, “‘Orch OR’ is the most complete, and most easily falsifiable theory of consciousness,” Cognitive Neuroscience, vol. 12, no. 2, pp. 74–76, Apr. 2021, doi: 10.1080/17588928.2020.1839037.

[9] Kalra, A. P., Hameroff, S., Tuszynski, J., Dogariu, A., Nicolas, Sachin, & Gross, P. J. 2022, August 14. Anesthetic gas effects on quantum vibrations in microtubules – Testing the Orch OR theory of consciousness. https://osf.io/zqnjd/ Date created: 2020-04-01  Last Updated: 2022-08-14.

[10] P. Kurian, T. O. Obisesan, and T. J. A. Craddock, “Oxidative Species-Induced Excitonic Transport in Tubulin Aromatic Networks: Potential Implications for Neurodegenerative Disease,” J Photochem Photobiol B, vol. 175, pp. 109–124, Oct. 2017, doi: 10.1016/j.jphotobiol.2017.08.033.

[11] A. B. Fernández Casafuz, M. C. De Rossi, and L. Bruno, “Mitochondrial cellular organization and shape fluctuations are differentially modulated by cytoskeletal networks,” Sci Rep, vol. 13, no. 1, p. 4065, Mar. 2023, doi: 10.1038/s41598-023-31121-w

[12] M. B. Kelz and G. A. Mashour, “The Biology of General Anesthesia from Paramecium to Primate,” Current Biology, vol. 29, no. 22, pp. R1199–R1210, Nov. 2019, doi: 10.1016/j.cub.2019.09.071.

[13] H. Zadeh-Haghighi and C. Simon, “Radical pairs may play a role in microtubule reorganization,” Sci Rep, vol. 12, no. 1, p. 6109, Apr. 2022, doi: 10.1038/s41598-022-10068-4.

[14] A. P. Kalra et al., “Anesthetic gas effects on quantum vibrations in microtubules – Testing the Orch OR theory of consciousness,” Apr. 2020, Accessed: Sep. 03, 2024. [Online]. Available: https://osf.io/zqnjd/

[15] Haramein, N., Brown, W. D., & Val Baker, A. “The Unified Spacememory Network: from Cosmogenesis to Consciousness.” Neuroquantology, 2016, 14(4).

[16] H. J. H. Geesink and M. Schmieke, “Organizing and Disorganizing Resonances of Microtubules, Stem Cells, and Proteins Calculated by a Quantum Equation of Coherence,” JMP, vol. 13, no. 12, pp. 1530–1580, 2022, doi: 10.4236/jmp.2022.1312095.