Uno de los primeros dogmas que se aprenden es que la energía en las células se mueve a través de cadenas bien conocidas de reacciones químicas, como una coreografía de moléculas que saltan de un paso al siguiente. Nadie mencionó que entre bastidores había algo más extraño, más pequeño y más fundamental trabajando: la mecánica cuántica. Y, sin embargo, eso es exactamente lo que propone un nuevo estudio publicado en PNAS por un equipo internacional de investigadores.
Un grupo liderado por Naama Goren, de la Universidad Hebrea de Jerusalén, ha demostrado que el transporte de protones dentro de proteínas —una de las claves del metabolismo celular— no es solo un proceso químico, como siempre se ha enseñado, sino también un fenómeno controlado por el espín de los electrones, una propiedad cuántica que suele reservarse para los libros de física teórica. El hallazgo cambia nuestra visión sobre cómo se transfiere la energía en los seres vivos y acerca aún más los mundos, aparentemente distantes, de la biología y la física cuántica.
Una enzima corriente que esconde una clave cuántica
La investigación se centró en la lisozima, una enzima que se encuentra, por ejemplo, en las lágrimas, la saliva o la clara de huevo. Se eligió esta proteína no por sus funciones antimicrobianas, sino por su capacidad de formar cristales quirales, es decir, con estructuras tridimensionales asimétricas. Esta característica es crucial, ya que los efectos cuánticos del espín dependen de dicha asimetría.
Los científicos cultivaron cristales de lisozima y los colocaron sobre un dispositivo con electrodos de níquel y oro. Estos materiales permiten inyectar electrones con un determinado espín, una propiedad cuántica que puede describirse como la dirección del "giro" del electrón. Lo sorprendente fue que cuando se introducían electrones con un espín determinado, los protones se desplazaban con facilidad a través del cristal. En cambio, al cambiar el espín al opuesto, el transporte de protones se dificultaba de forma clara y medible.
Tal como explican en el artículo, “inyectar el espín opuesto del electrón en el cristal de lisozima provoca un cambio significativo en la impedancia del transporte de protones”. Esto indica que la movilidad del protón está directamente influida por el tipo de espín del electrón que atraviesa la proteína.
Cuando el espín y la vibración marcan el paso
Este fenómeno se relaciona con un efecto llamado CISS (selectividad de espín inducida por quiralidad), que hace que los electrones con un determinado espín se desplacen más fácilmente por estructuras quirales. En el caso de las proteínas como la lisozima, que tienen una geometría asimétrica, el espín de los electrones activa vibraciones específicas en la red cristalina, llamadas fonones quirales.
Estas vibraciones no son aleatorias: ayudan al movimiento de los protones dentro del cristal. Según los autores, “para conservar el momento angular total, este movimiento puede acoplarse con fonones quirales que se propagan en el cristal”. Es decir, se produce una cadena de interacciones: el espín del electrón modifica la vibración del entorno y esta vibración facilita el movimiento del protón.
Estas conclusiones se apoyan en múltiples mediciones: resistencia eléctrica, espectroscopía de impedancia y análisis de relajación de carga. Todo apunta a que el proceso de transporte no es exclusivamente químico ni térmico, sino también profundamente cuántico.
Confirmaciones experimentales y control del entorno
Para confirmar que este acoplamiento no era un efecto secundario, los investigadores realizaron experimentos adicionales. Cambiaron el tipo de electrodo (reemplazando níquel por oro, que no magnetiza igual), variaron la humedad relativa, utilizaron agua pesada (D₂O en lugar de H₂O) y controlaron la temperatura mediante láser.
En todos los casos, la relación entre el espín del electrón y la movilidad del protón se mantuvo, aunque con diferentes intensidades. Por ejemplo, cuando usaron D₂O, la movilidad bajó notablemente. Esto se debe a que los fonones en D₂O tienen menor energía, lo que reduce la eficacia del acoplamiento espín-protón. Como se describe en el trabajo, “el uso de D₂O disminuyó significativamente la dependencia de la conductividad con la polarización del espín”.
También observaron que en condiciones de mayor humedad, donde el cristal se vuelve más flexible, el efecto cuántico disminuye. Esto se explica porque los protones empiezan a moverse más a través del agua que por la proteína, y el efecto de la estructura quiral se diluye.
Uno de los resultados más llamativos fue el cambio en la relajación de los portadores de carga según el tipo de magnetización. “La movilidad del protón depende de la polarización del espín de los electrodos, siendo tres veces mayor con la polarización norte que con la sur”. Este tipo de diferencia no puede explicarse sin recurrir a fenómenos cuánticos.
¿Qué significa esto para la vida?
El transporte de protones es esencial para la producción de energía celular. Se trata de un proceso clave en la respiración mitocondrial, la fotosíntesis y otros sistemas que dependen de gradientes electroquímicos. Saber que este transporte puede depender del espín de los electrones cambia por completo la visión que teníamos de estos procesos.
Hasta ahora, los libros describían el transporte de protones como una sucesión de "saltos" entre moléculas de agua o grupos funcionales de proteínas. Este trabajo añade una capa completamente nueva: el entorno cuántico del electrón puede guiar ese movimiento, potenciándolo o frenándolo.
Esto podría explicar la eficiencia extraordinaria de ciertos complejos bioquímicos y abre nuevas líneas de investigación para modular o imitar estos procesos en aplicaciones tecnológicas.
Del laboratorio a la bioelectrónica del futuro
El hallazgo no se queda en la biología teórica. Si podemos controlar el transporte de protones modulando el espín electrónico, entonces podríamos diseñar dispositivos bioinspirados para mover energía o información de forma más eficaz. Esto tiene implicaciones directas en áreas como la bioelectrónica, la computación cuántica molecular y el diseño de sensores.
Además, se plantea una hipótesis interesante: que muchos procesos enzimáticos no son solo químicos, sino que funcionan gracias a interacciones simultáneas entre electrones, protones y fonones, formando una especie de red energética cuántica.
Como resumen del trabajo, los autores concluyen que “estos hallazgos unen la física cuántica con la bioquímica, permitiendo comprender mejor y controlar la transferencia de información en entornos biológicos”. Una afirmación que redefine lo que significa estar vivo desde un punto de vista físico.
Referencias
- Naama Goren, Perumal Pandurangan, Yael Eisenberg-Domovich, Shira Yochelis, Nir Keren, Jean-Philippe Ansermet, Ron Naaman, Oded Livnah, Nurit Ashkenasy, Yossi Paltiel. Coupling between electrons’ spin and proton transfer in chiral biological crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). https://doi.org/10.1073/pnas.2500584122.
