¿Está Quantum Biocomputing delante de nosotros?

Ahora que conocemos las herramientas bio / moleculares que permiten a los organismos vivos lidiar con los cálculos cuánticos, por ejemplo, las proteínas de fantasía que permiten a las aves manejar la coherencia cuántica (por ejemplo, la aguja cuántica de la brújula magnética aviar o el patrón de localización de doble cono y expresión estacional sugieren un Papel en Magnetoreception para el criptocromo europeo Robin 4 ) Me pregunto:

• ¿Estas herramientas ya están resolviendo problemas que tienen ustedes (investigadores de computación cuántica)?
• ¿Hay algún problema específico que estas herramientas "deben" resolver de alguna manera con las que estás luchando en tus laboratorios?
• ¿Podríamos usarlos (aunque esto implicará un cambio de paradigma hacia la biotecnología)?

"¿Está Quantum Biocomputing delante de nosotros?"

Se han realizado algunos trabajos sobre biocomputación , computación cuántica , química de espín y reacciones magnetoquímicas .

Pares de radicales correlacionados: pares de radicales transitorios creados simultáneamente, de modo que los 2 espines de electrones, uno en cada radical, están correlacionados, en proteínas magnetoreceptivas fotoactivas como los criptocromos no constituye un cálculo cuántico.

Ver: " Magnetorecepción dependiente de la luz en aves: análisis del comportamiento bajo luz roja después de la exposición previa a la luz roja " por W. Wiltschko, Gesson, Noll y R. Wiltschko en el Journal of Experimental Biology, 2004.

Consulte el artículo " Magnetorecepción animal basada en la visión" en el sitio web QuantBioLab, grupo de investigación de Biología Cuántica y Física Computacional, Universidad del Sur de Dinamarca (SDU):

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Figura 7. Ilustración esquemática de un ojo de pájaro y sus componentes importantes. La retina (a) convierte imágenes del sistema óptico del ojo en señales eléctricas enviadas a lo largo de las células ganglionares que forman el nervio óptico al cerebro. (b) Se muestra esquemáticamente un segmento de retina agrandado. (c) La retina consta de varias capas celulares. Las señales primarias que surgen en los segmentos externos de la barra y el cono se pasan a las células horizontales, bipolares, amacrinas y ganglionares. (d) La señal de fototransducción primaria se genera en la proteína del receptor rodopsina mostrada esquemáticamente a una densidad muy reducida. Las membranas que contienen rodopsina forman discos con un grosor de ~ 20 nm, separados ~ 15-20 nm entre sí.

En términos matemáticos, la brújula basada en la visión en las aves se caracteriza por una función de filtro, que modela la modulación de la señal visual mediada por el campo magnético registrada en la retina del ave (ver Fig. 8).

Figura 8. Vista panorámica en Frankfurt am Main, Alemania. La imagen muestra la perspectiva del paisaje registrada desde una altitud de vuelo de pájaro de 200 m sobre el suelo con las direcciones cardinales indicadas. El campo visual se modifica mediante la función de filtro magnético; Los patrones se muestran para un pájaro que mira ocho direcciones cardinales (N, NE, E, SE, S, SW, W y NW). El ángulo de inclinación del campo geomagnético es de 66 °, siendo un valor característico de la región.

Se ha creado una computadora biomecánica . Bio4Comp, un proyecto de investigación financiado por la UE, ha creado máquinas biomoleculares, cada una de las cuales tiene un tamaño de unas pocas billonésimas de metro (nanómetros). Los sistemas de motilidad de actina-miosina y microtúbulos-kinesina pueden resolver problemas moviéndose a través de una red de canales nanofabricados diseñados para representar un algoritmo matemático; un enfoque que denominamos "biocomputación basada en red". Cada vez que las biomoléculas alcanzan una unión en la red, agregan un número a la suma que están calculando o lo omiten. De esa manera, cada biomolécula actúa como una pequeña computadora con procesador y memoria. Si bien una biomolécula individual es mucho más lenta que una computadora actual, se autoensamblan para poder usarse en grandes cantidades, lo que aumenta rápidamente su potencia informática. Un ejemplo de cómo funciona esto se muestra en el video en su sitio web.

• ¿Estas herramientas ya están resolviendo problemas que tienen ustedes (investigadores de computación cuántica)?

• ¿Hay algún problema específico que estas herramientas "deben" resolver de alguna manera con las que estás luchando en tus laboratorios?

• ¿Podríamos usarlos (aunque esto implicará un cambio de paradigma hacia la biotecnología)?

"El primer paso para resolver problemas matemáticos con biocomputación basada en red es codificar el problema en formato de red para que los motores moleculares que exploran la red puedan resolver el problema. Ya hemos encontrado codificaciones de red para varios problemas de NP completo, que son particularmente difíciles para resolver con computadoras electrónicas. Por ejemplo, hemos codificado la suma de subconjuntos, la cobertura exacta, la satisfacción booleana y el vendedor ambulante .

Dentro del proyecto Bio4Comp, nos enfocaremos en optimizar estas codificaciones para que puedan resolverse eficientemente con agentes biológicos y aumentar su escala más fácilmente. Análoga a algoritmos informáticos optimizados, redes optimizadas pueden reducir en gran medida la potencia de cálculo (y por lo tanto el número de proteínas motoras) requerido para encontrar la solución correcta "- Fuente:. Bio4Comp Investigación .

Otro artículo interesante que respalda mi respuesta de que los pares de radicales no constituyen una computadora cuántica, sino que es simplemente una reacción bioquímica cuántica que demuestra la química del espín, es " Sonda cuántica y diseño para una brújula química con nanoestructuras magnéticas " de Jianming Cai (2018).

Introducción. - Recientemente, ha habido un interés creciente en la biología cuántica, es decir, investigar los efectos cuánticos en los sistemas químicos y biológicos, por ejemplo, el sistema de recolección de luz, la brújula aviar y el sentido olfativo. La principal motivación es comprender cómo se puede explotar la coherencia cuántica (enredo) para el cumplimiento de las funciones biológicas. Como paso clave hacia este objetivo, es deseable encontrar herramientas que puedan detectar efectos cuánticos en condiciones ambientales. El objetivo final de interés práctico en el estudio de la biología cuántica es aprender de la naturaleza y diseñar dispositivos altamente eficientes que puedan imitar sistemas biológicos para completar tareas importantes, por ejemplo, recolectar energía solar y detectar un campo magnético débil.

Como ejemplo de biología cuántica, el mecanismo de pares radicales es una hipótesis intrigante para explicar la capacidad de algunas especies para responder a campos magnéticos débiles, por ejemplo, pájaros, moscas de la fruta y plantas. Una brújula magnetoquímica podría encontrar aplicaciones en magnetometría remota, en un mapeo magnético de materiales microscópicos o topográficamente complejos, y en imágenes a través de medios de dispersión. Se demostró que una brújula sintética donante-puente-receptor compuesta de un carotenoide unido (C), porfirina (P) y fullereno (F) puede funcionar a baja temperatura (193 K). Es sorprendente que dicha molécula de tríada sea el único ejemplo conocido que se ha demostrado experimentalmente que es sensible al campo geomagnético (pero no a temperatura ambiente).

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Resumen. - Hemos demostrado que un campo de gradiente puede conducir a una mejora significativa del rendimiento de una brújula química. El campo de gradiente también nos proporciona una herramienta poderosa para investigar la dinámica cuántica de las reacciones de pares radicales en la química de espín . En particular, puede distinguir si el estado inicial del par radical está en el estado singlete enredado o en el estado clásicamente correlacionado, incluso en los escenarios en los que antes no se podía lograr tal objetivo. Estos fenómenos persisten al agregar un promedio de orientación parcial y al agregar ruido magnético realista. Los efectos pronosticados allí pueden ser detectables en una brújula de sistema híbrido compuesta de nanopartículas magnéticas y pares de radicales en un huésped cristalino líquido orientado. Nuestro trabajo ofrece un método simple para diseñar / simular un sensor de campo magnético débil biológicamente inspirado basado en el mecanismo de par radical con una alta sensibilidad que puede funcionar a temperatura ambiente.

Mucho se ha escrito sobre la biología cuántica . Una toma algo antigua, pero sólida, es la de Phillip Ball, El amanecer de la biología cuántica (Nature 2011, 474, 271-274). Por ahora, no repasemos eso y en lugar de eso nos concentremos en sus preguntas.

Sobre la primera pregunta: (¿ está resolviendo nuestros problemas? )

Un sistema (o proceso) descrito por Quantum Biology no tiene una mecánica cuántica trivial y , por lo tanto, es interesante, pero que yo sepa, tampoco es multi-qubit , así que no es realmente de lo que se trata la computación cuántica. En particular: los procesos biológicos cuánticos conocidos actualmente no presentan escalabilidad, y tampoco presentan puertas lógicas cuánticas (o no en la forma en que las entendemos al menos), y mucho menos los algoritmos cuánticos. Entonces, como respuesta, eso es principalmente un no: estas herramientas no están resolviendo nuestros problemas.

Sobre la segunda pregunta: (¿ está resolviendo un problema específico con el que estamos luchando? )

La coherencia cuántica confiable en el estado sólido, en sistemas estructurados complejos y a alta temperatura es algo que a todos nos gustaría ver resueltos, y, al menos hasta cierto punto, de esto se trata la Biología Cuántica. Entonces, en lo que respecta a la comprensión actual del campo, este es realmente un problema específico en el que las personas en los laboratorios están trabajando y que parece estar resuelto en biología (ya que las moléculas son nanoestructuras complejas). Siempre que podamos en nuestros laboratorios lograr de manera confiable la coherencia cuántica en estado sólido, en sistemas estructurados complejos y a altas temperaturas, saltaremos mucho más cerca de la utilidad y el bajo costo. Entonces, como respuesta, eso es un sí.

Sobre la tercera pregunta: (¿ podríamos usar biomoléculas como hardware cuántico? )

Todavía no están en la liga principal, por decir lo menos. Incluso como una especulación optimista, diría que no competirán con los grandes jugadores en el corto plazo, pero sí creo que, a medida que la investigación avanza en el origami de ADN pasado (y estrategias relacionadas) en Biología Molecular y Biología Sintética, en algunos los qubits biomoleculares puntuales desempeñarán un papel dentro del subconjunto de qubits de espín molecular. En particular, las claves de relevancia serían combinar la coherencia (aparentemente probada) en condiciones inusuales (cálidas, húmedas), con la capacidad inigualable de las biomoléculas para una autoorganización extremadamente compleja en estructuras funcionales. Dado que los qubits de spin molecular (coherente y organizado) son mi campo de investigación, permítanme vincular a un par de artículos relevantes. Primero, una primera reacción sobre la primera molécula magnética que fue competitiva en términos de coherencia con los candidatos regulares de estado sólido y, por lo tanto, cómo las moléculas magnéticas están de vuelta en la carrera hacia la computadora cuántica . Y también, esta propuesta (divulgación: soy un autor) sobre el arXiv sobre por qué y cómo se podrían usar los péptidos como andamios versátiles para la computación cuántica .

Ha habido una gran cantidad de debate científico sobre la evidencia de los efectos cuánticos en biología debido a las dificultades de reproducir la evidencia científica. Algunos han encontrado evidencia de coherencia cuántica, mientras que otros han argumentado que este no es el caso. (Ball, 2018).

El estudio de investigación más reciente (en Nature Chemistry, mayo de 2018 ) encontró evidencia de una señal oscilante específica que indica superposición. Los científicos encontraron efectos cuánticos que duraron exactamente como se esperaba según la teoría y demostraron que estos pertenecen a la energía superpuesta en dos moléculas simultáneamente. Esto dio como resultado la conclusión de que los sistemas biológicos exhiben los mismos efectos cuánticos que los sistemas no biológicos.

Estos efectos se han observado en el centro de reacción Fenna-Matthews-Olsen de la bacteria: Chlorobium Tepidum (Borroso-Flores, 2017).

La investigación demuestra que las dimensiones y las escalas de tiempo de los procesos de transferencia de energía fotosintética los acerca al límite cuántico / clásico. Hay varias explicaciones para esto, pero parecen indicar que el límite cuántico / clásico energéticamente ruidoso es ideal para el control de transferencia de energía de excitación. Keren 2018.

La biología cuántica como semiconductores biológicos

Dicha dinámica en biología se basa en la química del espín (pares de radicales), y se ha reconocido que "Ciertos semiconductores orgánicos (OLED) exhiben magnetoelectroluminiscencia o magnetoconductancia, cuyo mecanismo comparte una física esencialmente idéntica con pares de radicales en biología"

 PJ Hore (2016).

Los términos 'spin singlets' y 'triplets' se usan en spintronics (en la investigación de semiconductores) y el término pares de radicales (incluidos spin singlets o triplets) se usan para discutir la química del spin en biología. Pero todos los términos describen los mismos fenómenos (solo en diferentes ámbitos disciplinarios). Recientemente ha habido llamadas interdisciplinarias para la integración de la química del espín y la espintrónica en reconocimiento de este J Matysik (2017).

Los semiconductores biológicos que los científicos ya han identificado incluyen melanina y péptidos, y los péptidos ahora se están explorando como andamios para la computación cuántica.

Transferencia de electrones UltriaFast y almacenamiento de información electrónica sobre el giro en un giro nuclear

Durante la fotosíntesis, las plantas usan coherencia electrónica para la transferencia de energía y electrones ultrarrápida y han seleccionado vibraciones específicas para mantener esas coherencias. De esta manera, la transferencia de energía fotosintética y la separación de carga han logrado su sorprendente eficiencia. Al mismo tiempo, estas mismas interacciones se utilizan para fotoproteger el sistema contra los subproductos no deseados de la recolección de luz y la separación de carga a altas intensidades de luz.

Rienk van Grondelle.

En la separación de carga en los centros de reacción fotosintética, los estados triplete pueden reaccionar con oxígeno molecular generando oxígeno destructivo singlete. Se observa que el rendimiento del producto triplete en bacterias y plantas se reduce por los campos magnéticos débiles. Se ha sugerido que este efecto se debe a la polarización nuclear dinámica inducida fotoquímicamente en estado sólido (foto-CIDNP), que es un método eficiente para crear polarización no equilibrada de espines nucleares mediante el uso de reacciones químicas, que tienen pares de radicales como intermedios ( Adriana Marais 2015). Dentro de la biología, tal mecanismo podría aumentar la resistencia al estrés oxidativo.

Se ha observado que parece haber un vínculo entre las condiciones de aparición de foto-CIDNP en los centros de reacción y las condiciones de la transferencia de electrones inducida por la luz eficiente sin igual en los centros de reacción. J Matysik 2009,  IF Cespedes-Camacho y J Matysik 2014. 

Se ha observado un efecto CIDNP en el centro de reacción Fenna-Matthews-Olsen (Roy et al 2006).

También se ha observado un efecto de CIDNP en el dinucleótido de adenina de flavina (FAD) ( Stob 1989) .

El FAD está implicado en los efectos cuánticos teorizados en el criptocromo y otras reacciones redox biológicas. La teoría ampliamente aceptada es que durante la respuesta a los campos magnéticos, la fotoexcitación del cofactor del dinucleótido de adenina de flavina (FAD) no unido covalentemente en el Criptocromo conduce a la formación de pares radicales a través de transferencias secuenciales de electrones a lo largo de la "tríada de triptófano", una cadena de tres residuos de triptófano conservados dentro de la proteína. Este proceso reduce el estado singlete fotoexcitado del FAD al radical aniónico. De la misma manera que la foto-CIDNP MAS NMR ha proporcionado información detallada sobre el transporte de electrones fotosintéticos en los centros de reacción, se anticipa en una variedad de aplicaciones en estudios mecanicistas de otras proteínas fotoactivas.

"hasta ahora, no se ha observado ningún fenómeno CIDNP en espintrónica, aunque se ha mencionado la posibilidad de obtener tales efectos" Si se encuentra que la resonancia de espín nuclear tiene un impacto en el transporte de electrones dependiente de espín debido a la interacción hiperfina, en última instancia, lo contrario el proceso puede ser posible: almacenar información de espín electrónico en el espín nuclear ".

 J Matysik (2017).

Extensión de Anin Post anterior (no he podido volver a iniciar sesión en esa cuenta, así que configure una nueva)

Límites de la biología cuántica como enfoque de semiconductores biológicos

La biología cuántica no puede simplemente resolver las preocupaciones prácticas de la computación cuántica tal como están, ya que la biología no es simplemente una forma de semiconductor o computadora cuántica.

Noto que académicos líderes como PJ Hore (citado anteriormente) que trabajan en el mecanismo de pares radicales en biología han estado fuertemente conectados a la investigación de RMN desde el principio. Es posible que estos académicos conozcan tanto los beneficios como las dificultades del trabajo interdisciplinario. Uno de los principales riesgos dentro del estudio académico es que, al establecer paralelos entre disciplinas, podemos ignorar las diferencias. Es poco probable que los complejos sistemas adaptativos de la biología simplemente se ajusten a las conceptualizaciones existentes dentro de la informática o la física. Requiere que los estudiosos examinen los fenómenos como algo desconocido y con muchas posibilidades, algunas de las cuales pueden desafiar cualquier preconcepción que ya tengan.

Por ejemplo, centrarse solo en el mecanismo de pares radicales en la investigación sobre la eficiencia cuántica (dentro de los procesos biológicos) será de uso limitado sin comprender su contexto más amplio.

Contexto de comprensión

Hay investigaciones que demuestran la interacción del criptocromo con mecanismos de sincronización redox y biológicos en modelos de ratones (Harino et a, 2017 ). Y más ampliamente, existe una creciente literatura sobre la interacción de los ritmos redox y circadianos (incluso a través de la compuerta circadiana) en muchas plantas ( Guadagno et al, 2018) y especies animales.

Un trabajo reciente ha investigado los ritmos circadianos de la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) y las enzimas que eliminan ROS, y los ritmos circadianos de la fotosíntesis generadora de ROS. Se ha sugerido que

"dado que los cambios en la tasa de fotosíntesis conducen a alteraciones en la producción de oxígeno singlete, la regulación circadiana de la fotosíntesis podría dar lugar a ritmos de producción de oxígeno singlete". ( Simon et al, 2019 ).

Si desea comprender más sobre los ritmos circadianos, le sugiero que consulte el trabajo de Alfred Goldbeters.

La biología no separa todo en componentes individuales

El funcionamiento de tales mecanismos de temporización tiene implicaciones para la eficiencia cuántica [ Garzia-Plazaola et al, 2017 ; Schubert et al, 2004 ) dentro de la biología. Sorek y Levy (2012) también han investigado las relaciones con la compensación de temperatura.

Todos los relojes circadianos conocidos tienen un período endógeno que es notablemente insensible a la temperatura ( Kidd et al, 2015 )

A partir de la investigación anterior, también parece que la biología puede tratar la señalización de la luz y la temperatura como integrada en lugar de separada ( Franklin et al, 2014) .

Y esto no se trata solo de la respuesta a los campos magnéticos o la luz. El gen cry altera la fototransducción de luz azul (<420 nm) que afecta a los relojes biológicos, la orientación espacial y los taxis en relación con la gravedad, los campos magnéticos, la radiación solar, lunar y celeste en varias especies ( Clayton, 2016)

Posible papel para la cicatrización cuántica

Se han hecho asociaciones entre órbitas periódicas y cuánticas en la cicatrización cuántica , donde se impide que los sistemas alcancen la termmalización. Puede explicar por qué las ecuaciones que se pueden usar para modelar estructuras disipativas que se han usado para modelar oscilaciones biológicas ( Alfred Goldbeter ) también se pueden aplicar a otros campos. Por ejemplo, la ecuación FKPP se puede usar para modelar estructuras disipativas que surgen a través de la reacción-difusión (la propagación de frentes de onda no lineales inestables / dinámica de población), pero también la cromodinámica cuántica ( Mueller y Munier, 2014 ) y la velocidad a la que los frentes magnéticos propagarse en un fluido turbulento conductor de electricidad. La aproximación de difusión para el transporte admite una velocidad infinita de propagación.(Fedotov y col.).

Código Generativo?

Podría considerar qué sistemas biológicos cuánticos podrían asociarse con el código. El fotón es un recurso propuesto en computación cuántica y comunicación.

Los fotones representan los portadores qubit voladores naturales para la comunicación cuántica, y la presencia de fibras ópticas de telecomunicaciones hace que las longitudes de onda de 1.310 nm y 1.550 nm sean particularmente adecuadas para su distribución a largas distancias. Sin embargo, los qubits codificados en átomos alcalinos que absorben y emiten a longitudes de onda de alrededor de 800 nm se han considerado para el almacenamiento y procesamiento de información cuántica ( Tanzili et al, 2005 )

Dentro de la biología existe un mecanismo conocido como quimioluminiscencia espontánea (y por varios otros nombres, incluidas las emisiones de fotones y biofotones ultra débiles).

En general, se acepta que (estos) fotones se emiten (1) a rangos espectrales cercanos a los rayos UVA, visibles y cercanos al IR de 350 a 1300 nm y (2) a la intensidad de emisión de fotones en el rango de varias unidades a varios cientos ( proceso metabólico oxidativo) y varios cientos a varios miles (proceso de estrés oxidativo) fotones s − 1 cm − 2. ( Cifra y Pospíšil, 2014 )

Este mecanismo se encuentra ampliamente en la biología (tanto en plantas como en animales) y tiene lugar donde se forman especies excitadas electrónicamente durante los procesos de estrés oxidativo ( Cifra et al, 2014 ), que están asociados con la producción de ROS ( Pospíšil et al, 2014 ) . Pueden ser generados e influenciados por diversos estímulos, incluidos los campos magnéticos ( Li, 2012 )

El pensamiento es que

Varios procesos moleculares pueden emitir fotones y que estos sean transportados a la superficie celular por energía que transporta excitones. Un proceso similar transporta la energía de los fotones a través de matrices de proteínas gigantes durante la fotosíntesis ( MIT technology review, 2012 ).

Este mecanismo se ha relacionado con cambios sistemáticos en el metabolismo energético inherente a un ciclo circadiano tanto en animales como en plantas ( Footitt et al, 2016 y Kobayashi et al, 2009 ). También se ha observado que una clara ventaja de este mecanismo es que proporciona información espacio-temporal ( Burgos et al, 2017 )

Se ha propuesto que los fosfenos (que pueden generarse en nuestra corteza visual en respuesta a diversos estímulos, incluidos los campos de luz y magnéticos) son el resultado de emisiones de fotones ultra débiles Császár et al, 2015 . Los mecanismos exactos detrás de esto todavía están bajo investigación, pero tenemos varias proteínas, incluido el criptocromo en nuestras propias retinas ( Foley et al, 2011) . Los fosfenos generan una amplia gama de formas y colores geométricos . Estos podrían potencialmente actuar como código / memoria .

¿Cuál podría ser el resultado del colapso de la superposición

Si se puede generar la superposición de 1 y 0, entonces se debe hacer la pregunta cuál es el resultado de colapsar esto.

Una metáfora para esto podría ser el colapso de ilusiones visuales multiestables, como el cubo de Necker . Estos presentan la posibilidad de múltiples imágenes y han sido explorados como un efecto cuántico .

Podemos colapsar tales ilusiones si decidimos prestar nuestra atención a una posibilidad / imagen particular. La elección de la imagen a la que asistimos varía de una persona a otra y dichas elecciones son preferencias. Elegir una imagen no valida esa imagen sobre todas las demás. Es simplemente una elección.

Lo que terminamos con es solo una elección / interpretación de múltiples posibilidades. Como tal, la aplicación de la memoria y la predicción dan como resultado interpretaciones o construcciones (con la predicción basada en gran medida en la memoria) en lugar de una respuesta correcta.

El colapso de las superposiciones podría evitarse evitando tal elección o la superposición podría establecerse nuevamente a través de nuevas posibilidades, por ejemplo, generadas a través del cambio ambiental.