Las medusas de cristal tienen una belleza inquietante: gracias a una proteína natural, emiten un tenue brillo verde. Durante décadas, los investigadores han utilizado esa proteína verde fluorescente y moléculas similares para iluminar el campo de la biología, rastreando lo que sucede dentro de las células.
Ahora estas omnipresentes herramientas están cobrando un nuevo impulso: sus propiedades cuánticas se están aprovechando para hacerlas similares a los bits fundamentales de la computación cuántica. "Estas proteínas fluorescentes que todo el mundo utiliza como etiqueta fluorescente pueden convertirse en realidad en un qubit", afirma Peter Maurer, ingeniero cuántico de la Universidad de Chicago en Illinois. La idea “suena a ciencia ficción”, afirma Maurer. Pero la física no es nueva y ya se ha demostrado que el enfoque funciona en principio.
Las etiquetas de proteínas fluorescentes son actualmente una de las herramientas más importantes en los laboratorios de biología de todo el mundo. Pueden monitorear la ubicación y actividad de las proteínas, detectar condiciones dentro de una célula, verificar si los candidatos a fármacos se dirigen a los lugares correctos y llevar a cabo una variedad de otras tareas. Pero agregar un giro cuántico ofrece posibilidades nuevas y emocionantes, dicen los investigadores.
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Los sensores cuánticos pueden detectar campos magnéticos y son exquisitamente sensibles, por lo que las versiones proteicas podrían captar las pequeñas señales generadas por la activación de neuronas o flujos de iones, o detectar cantidades minúsculas de radicales libres que insinúan estrés celular o sirven como signos tempranos de cáncer. Y los investigadores pueden encender y apagar estos sensores cuánticos basados en proteínas de forma remota, lo que los convierte en herramientas útiles para nuevas tecnologías y terapias de imágenes.
Las etiquetas de proteínas siguen sorprendiendo a los investigadores con más capacidades, dice Jin Zhang, quien desarrolla biosensores en la Universidad de California en San Diego (UCSD). "A menudo luchamos con la sensibilidad de las etiquetas fluorescentes", dice, por lo que está intrigada por la ciencia aún inimaginada que podrían desencadenar las variantes cuánticas. "Todavía estoy tratando de imaginar las nuevas aplicaciones que esto podría traer".
El esfuerzo es parte de un campo más amplio de detección cuántica para aplicaciones biológicas, que según los observadores está en auge y progresa rápidamente. Aunque el desarrollo de sensores cuánticos de proteínas se encuentra en una etapa temprana, los investigadores que realizan este trabajo dicen que no hay muchos obstáculos en su camino: algunas de las proteínas que podrían usarse de esta manera ya están disponibles en el mercado, y el equipo para manipularlas es estándar.
"En el pasado, podría haber parecido algo así como 'ah, probablemente eso nunca vaya a funcionar'", dice Ania Jayich, física de la Universidad de California en Santa Bárbara, que trabaja en otros tipos de sensores cuánticos. "Eso ya no es cierto."
¿Diamantes para siempre?
La física cuántica vive actualmente una segunda revolución. Durante el primero, a principios del siglo XX, los físicos comenzaron a desentrañar las extrañas propiedades del mundo cuántico, como la superposición, por la cual algo existe en varios estados simultáneamente, y el entrelazamiento, en el que los estados cuánticos quedan misteriosamente vinculados. Ahora, en la segunda revolución, los investigadores están manipulando intencionalmente propiedades cuánticas individuales para abrir la puerta a aplicaciones de alta precisión y densas en información en informática, comunicaciones y sensores.
La computación cuántica necesita qubits (unidades básicas de información cuántica) que no se vean perturbados por el mundo que los rodea. La detección cuántica, por el contrario, se basa en qubits que están influenciados por factores externos, de formas específicas que pueden medirse. La resonancia magnética (MRI), por ejemplo, crea una imagen manipulando y midiendo una propiedad cuántica conocida como espín en los núcleos de hidrógeno del cuerpo. Los dispositivos de interferencia cuántica superconductora (SQUID) se utilizan para detectar campos magnéticos en el cerebro durante exploraciones magnetoencefalográficas en hospitales.
Uno de los sensores cuánticos más utilizados hoy en día es el "centro de diamante NV", un defecto en un cristal de diamante en el que un átomo de carbono ha sido reemplazado por un nitrógeno (N) y un carbono vecino está ausente, formando una vacante (V). Los estados de espín de los electrones en este centro se pueden manipular utilizando microondas y láseres, de modo que los campos magnéticos, la temperatura y otros factores ambientales afecten la luz que emiten los electrones de manera precisa y bien entendida. Estos sensores son extremadamente sensibles, versátiles y estables incluso a temperatura ambiente, a diferencia de muchos sistemas qubit, que requieren un frío extremo. Hoy en día, se utilizan láminas de diamantes NV o cristales a nanoescala en el laboratorio y en algunos productos comerciales, principalmente en las ciencias físicas, por ejemplo, para mapear el rendimiento de los semiconductores.
En comparación, las aplicaciones de las biociencias han resultado más difíciles de desarrollar, porque los sistemas vivos son "cálidos y desordenados", dice Jayich, cuyo laboratorio se centra en diamantes NV.
Pero ese campo está mejorando. Es una de las pocas áreas de interés del Instituto Cuántico de Chicago de la Universidad de Chicago, por ejemplo, y recibió un impulso de financiación de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. en 2023. Y es el único foco de atención del Centro de Investigación de Sensores Biomédicos Cuánticos del Reino Unido, inaugurado en diciembre de 2024. "Estamos en un momento realmente emocionante con las tecnologías cuánticas, donde muchas de las demostraciones de laboratorio están llegando a un punto en el que están listas para sus aplicaciones", dice el físico John Morton de la Universidad. College London, codirector del centro de investigación.
Los equipos de investigación están investigando, por ejemplo, cómo utilizar diamantes NV para realizar resonancias magnéticas a nanoescala o mejorar las herramientas utilizadas para rastrear trazadores magnéticos durante la cirugía. Y, al modificar el exterior de los cristales de diamante para que se unan a moléculas específicas en muestras de plasma sanguíneo, los investigadores han desarrollado pruebas experimentales de VIH que son 100.000 veces más sensibles que los diagnósticos estándar.
Muchos investigadores están experimentando colocando sensores cuánticos de diamante dentro de las células. Maurer afirma que aproximadamente la mitad de su laboratorio está investigando nuevos usos para los diamantes NV y seguirá haciéndolo.
Pero los sensores NV Diamond tienen limitaciones: tienden a ser torpes, alrededor de diez veces más grandes que una proteína y son difíciles de colocar exactamente donde los desea. Las proteínas fluorescentes, por el contrario, son pequeñas y pueden generarse exactamente donde se necesitan dentro de las células mediante técnicas de ingeniería genética, colocándolas justo al lado de cualquier cosa que los investigadores deseen investigar. "El beneficio que se obtiene con esto es enorme", dice Jayich.
Resplandor cuántico
Hace aproximadamente una década, David Awschalom, director del Instituto Cuántico de Chicago, y sus colegas comenzaron a preguntarse si podrían encontrar moléculas que actuaran como qubits. Esperaba que tales qubits pudieran producirse de manera confiable mediante la química en lugar de ser tallados en diamantes o semiconductores. En 2020, su equipo informó en Science que podía conseguir que una molécula organometálica sintetizada se comportara como un qubit, y pronto su equipo hizo lo mismo con otras moléculas.
Ese trabajo llevó a Awschalom a asociarse con Maurer, quien había puesto sus conocimientos de física a trabajar en imágenes biológicas, en la búsqueda de moléculas biológicas que pudieran realizar el mismo truco. "Era esencialmente el mismo tipo de idea, pero ahora con un sistema que resultaba cómodo para las células", dice Awschalom.
Se centraron en la 'proteína fluorescente amarilla mejorada' (EYFP), un producto disponible en el mercado que los biólogos habían mejorado para obtener un brillo amarillo brillante. Desde el punto de vista de la física, esta molécula tiene una estructura de energía electrónica similar a la de los qubits existentes, afirma Awschalom.
Las proteínas fluorescentes brillan cuando sus electrones son excitados por la luz láser y luego vuelven a su estado energético relajado. Los biólogos suelen insertar las instrucciones genéticas para la etiqueta de proteína fluorescente junto al código de una proteína de interés. Luego, si se expresa la proteína objetivo, la etiqueta también se expresa: aplica un láser sobre la muestra y se ilumina como un árbol de Navidad. Se han desarrollado variantes con diferentes colores. Y los ingenieros de proteínas continúan desarrollando versiones que son sensores útiles: su luz puede verse afectada por el pH o por fuerzas mecánicas dentro de las células, por ejemplo, o por la presencia de iones de calcio, que son cruciales para la señalización celular, o enzimas quinasas involucradas en la fosforilación, un importante interruptor de encendido y apagado para la actividad de las proteínas. Sin embargo, las proteínas fluorescentes sin mejora cuántica no pueden detectar campos magnéticos.
Una pequeña fracción del tiempo, los electrones excitados en estas proteínas fluorescentes cambian a un estado metaestable y no fluorescente llamado estado triplete (llamado así por tener tres posibles configuraciones de espín). Esto hace que la luz se atenúe o parpadee. "La gente sabía que esto sucede y lo odiaban porque hace que la baliza fluorescente sea menos brillante", dice Maurer. Para sus propósitos, esto era una ventaja, no una molestia, porque el estado triplete permite la creación de una superposición coherente de espines, y eso lo convierte en un sensor cuántico potencialmente útil. Los sensores cuánticos de diamante NV también se basan en un estado triplete.
Awschalom dice que, después de algunos comienzos en falso, fue una tarea relativamente sencilla poner el EYFP en el estado de superposición cuántica deseado utilizando luz láser y microondas. Una vez que el equipo entendió los niveles de energía de los estados cuánticos involucrados, dice, "literalmente al día siguiente, estaba funcionando". Como era de esperar, la luz fluorescente se vio afectada por campos magnéticos, cuya intensidad variaba en aproximadamente un 30%. El equipo demostró que el sensor cuántico funcionaba en células bacterianas vivas a temperatura ambiente.
Todavía quedan muchos obstáculos por superar. Un problema es que las proteínas fluorescentes son generalmente frágiles: se degradan con el tiempo a medida que les iluminas. Maurer dice que eso podría tener solución. Su equipo también está intentando aumentar la sensibilidad de las proteínas. Los biólogos habían desarrollado previamente proteínas fluorescentes que pasan el menor tiempo posible en estado triplete; Maurer dice que ahora planean hacer lo contrario: crear variantes y seleccionar aquellas que pasan más tiempo en el estado triplete. También trabajarán para ver si, al igual que los diamantes NV, estas proteínas pueden usarse para detectar cambios en otras condiciones de manera confiable, incluidos el pH y la temperatura.
La capacidad de detectar campos electromagnéticos directamente es particularmente interesante, dice Nathan Shaner, ingeniero biológico de la UCSD que desarrolla proteínas fluorescentes. "Algo que es realmente difícil de crear es un indicador robusto y sensible del potencial de acción que se obtiene cuando las neuronas se activan", dice, por ejemplo. "Es un pequeño cambio a pequeña escala".
Reinventando la resonancia magnética
El grupo de Maurer no es el único intrigado por las propiedades cuánticas de las proteínas. Andrew York, físico del Chan Zuckerberg Biohub en San Francisco, California, observó que las proteínas fluorescentes rojas y verdes se vuelven ligeramente sensibles a los campos magnéticos cuando llevan una pequeña extensión: un compuesto orgánico llamado flavina. Estas proteínas responden a campos magnéticos incluso a temperatura ambiente y en seres vivos, incluidos gusanos nematodos y bacterias.
Harrison Steel, ingeniero de la Universidad de Oxford, Reino Unido, se asoció con York y sus colegas para desarrollar esta idea. Han demostrado que los detalles cuánticos en este sistema son ligeramente diferentes: implican un estado triplete y un entrelazamiento entre dos electrones en partes vecinas de la molécula. Pero, en términos generales, se trata del mismo principio: los campos magnéticos afectan los estados de espín de los electrones y esto altera la intensidad de la luz fluorescente, convirtiendo la proteína en un útil sensor cuántico. El equipo creó grandes lotes de 3.000 proteínas ligeramente diferentes y seleccionó las que eran más sensibles a los campos magnéticos, centrándose en cuatro ganadoras para estudiar más a fondo.
El grupo también demostró que cada una de sus proteínas parpadea de distintas maneras cuando las ondas de radio y los campos magnéticos se encienden y apagan. Planean desarrollar una variedad de etiquetas de proteínas, cada una con un parpadeo único. Esto sería útil, dicen, para la "multiplexación": observar un rango de una docena o más de proteínas o condiciones en la misma muestra. Los investigadores también cuentan en su arsenal con "puntos cuánticos" para esta tarea: diminutos cristales semiconductores que brillan en un arco iris de colores, una especie de versión artificial de etiquetas de proteínas fluorescentes. Pero estos puntos, como los diamantes NV, son difíciles de colocar con precisión dentro de las células (y, dice Jayich, como sensores no son tan flexibles ni tan sensibles como los diamantes NV).
Steel afirma que también se pueden utilizar etiquetas de proteínas fluorescentes magnéticamente sensibles para mejorar las imágenes. Actualmente, la microscopía de proteínas fluorescentes puede proporcionar vistas sorprendentemente detalladas de la actividad de las proteínas en el tejido, pero es necesario poder ver la luz con claridad, lo que normalmente significa cortar en rodajas un animal de investigación o mirar sólo un milímetro en su carne. A mayor profundidad, la luz se dispersa y la señal se vuelve borrosa, como intentar "ver" el interior de la mano al iluminarla con una linterna.
La idea de Steel es aplicar ondas de radio y un gradiente de campo magnético para hacer que las etiquetas fluorescentes parpadeen sólo en ciertos lugares y momentos. Luego, aunque la luz se dispersa al salir de la carne, puede utilizar la información conocida sobre el campo magnético para localizar con precisión de dónde proviene la luz, mejorando la resolución de la imagen. El enfoque combina la capacidad de una máquina de resonancia magnética para observar profundamente la carne mediante señales magnéticas y de radio, con la información específica de proteínas de las etiquetas fluorescentes.
Sin embargo, esta idea no es muy adecuada para obtener imágenes profundas de las personas: nuestros cuerpos son tan grandes que la luz emitida puede ser absorbida por completo antes de llegar a la superficie. Y el grado de especificidad que busca Steel significa insertar etiquetas fluorescentes modificando genéticamente las células, una técnica reservada para terapias que salvan vidas. Pero podría funcionar en un ratón vivo.
Hasta ahora, Steel y sus colegas han utilizado su sistema para obtener imágenes de proteínas fluorescentes en bacterias que han sido incrustadas en un trozo de plástico del tamaño de un ratón, con una resolución de aproximadamente medio milímetro. Pero sólo han fotografiado una línea unidimensional, en lugar de crear una imagen completa en 3D. Steel dice que hicieron esta chapucera configuración después de sólo un mes de ingeniería y "es como una máquina de resonancia magnética muy mala", se ríe. Planean precisar el control de los campos y la interpretación de las señales para crear un instrumento 3D más funcional, con suerte con una resolución aún mayor, durante el próximo año. "La física está funcionando, el desafío es simplemente hacer algo práctico", dice. "Básicamente sabemos qué hacer con cada paso".
Dado que estas proteínas pueden manipularse mediante campos magnéticos, los descubrimientos también abren la puerta a la "magnetogenética": la idea de utilizar un campo magnético dirigido para "activar" una etiqueta de forma remota y, por ejemplo, alterar la unión de proteínas cercanas para iniciar una respuesta terapéutica en lo profundo del cuerpo. "Es muy emocionante pensar en eso", dice Shaner. En el futuro podrían aparecer otras aplicaciones para estos sensores cuánticos, añade. "Hay un enorme potencial ahí, en alguna parte. Creo que aún no está del todo claro qué es posible".
La idea de perfeccionar sensores cuánticos que puedan usarse dentro de las células es incipiente pero prometedora, dice Morton. "La gente ha estado tratando de averiguar: ¿cuál es el próximo NV? ¿Cuál es el sensor cuántico de próxima generación?". Las proteínas fluorescentes podrían ser un competidor, dice, pero tienen un largo camino por recorrer para demostrar que sus beneficios superan sus desventajas, como la fragilidad, en comparación con los diamantes NV.
Maurer no está de acuerdo y señala la "capacidad de apuntar" genéticamente a las proteínas fluorescentes como una enorme ventaja. "No es que hayamos abandonado el diamante", afirma, pero cree que las proteínas fluorescentes ganarán la batalla por la detección cuántica dentro de las células.
Jayich también está entusiasmado con las posibilidades, especialmente porque los investigadores mejoran y perfeccionan estas proteínas. "Esto es sólo el comienzo", dice. "Incluso donde está ahora, ya será mejor que otros sensores cuánticos para ciertas aplicaciones en biología. No es una locura. Es realmente emocionante".
Este artículo se reproduce con autorización y se publicó por primera vez el 3 de marzo de 2026.