As águas-vivas cristal possuem uma aparência quase etérea devido a uma proteína natural capaz de emitir um brilho esverdeado fluorescente. Durante décadas, cientistas utilizaram essa proteína fluorescente verde e outras moléculas semelhantes como ferramentas fundamentais na biologia, permitindo observar o funcionamento interno das células em tempo real.

Essas proteínas atuam como marcadores luminosos, ajudando pesquisadores a identificar onde determinadas substâncias estão localizadas, acompanhar atividades celulares e visualizar processos biológicos que normalmente seriam invisíveis ao microscópio convencional.

Agora, essas proteínas fluorescentes estão ganhando uma aplicação ainda mais avançada: suas propriedades quânticas estão sendo exploradas para transformá-las em estruturas semelhantes aos qubits, as unidades fundamentais da computação quântica. Segundo Peter Maurer, engenheiro quântico da Universidade de Chicago, proteínas fluorescentes utilizadas rotineiramente como marcadores biológicos podem, em determinadas condições, comportar-se como qubits. Embora a ideia pareça saída da ficção científica, ela se baseia em princípios físicos já conhecidos, e experimentos iniciais demonstraram que o conceito funciona na prática.

As proteínas fluorescentes são atualmente uma das ferramentas mais importantes em laboratórios de biologia ao redor do mundo. Elas permitem monitorar a localização e a atividade de proteínas específicas, medir condições internas das células, verificar se medicamentos estão atingindo os alvos corretos e realizar inúmeras outras funções experimentais. A introdução de propriedades quânticas nesses sistemas pode abrir possibilidades completamente novas.

Sensores quânticos conseguem detectar campos magnéticos extremamente fracos com alta precisão, o que significa que versões baseadas em proteínas talvez consigam identificar sinais minúsculos produzidos por neurônios durante sua atividade elétrica, acompanhar o fluxo de íons dentro das células ou detectar quantidades extremamente pequenas de radicais livres associados ao estresse celular e aos estágios iniciais de doenças como o câncer.

Outra vantagem potencial é a possibilidade de controlar esses sensores quânticos remotamente por meio de campos magnéticos, ondas de rádio e lasers, criando novas formas de diagnóstico por imagem e até possíveis aplicações terapêuticas. Jin Zhang, pesquisadora da Universidade da Califórnia em San Diego especializada em biossensores, afirma que cientistas frequentemente enfrentam limitações relacionadas à sensibilidade das proteínas fluorescentes tradicionais. Por isso, a possibilidade de incorporar propriedades quânticas a esses sistemas desperta grande interesse, já que ainda não está totalmente claro o alcance das futuras aplicações dessa tecnologia.

Esse trabalho faz parte de um campo maior chamado sensoriamento quântico aplicado à biologia, uma área considerada extremamente promissora e em rápida expansão. Embora os sensores quânticos baseados em proteínas ainda estejam em estágios iniciais de desenvolvimento, os pesquisadores envolvidos acreditam que existem relativamente poucas barreiras técnicas fundamentais para sua implementação. Algumas das proteínas necessárias já estão disponíveis comercialmente, e muitos dos equipamentos utilizados para manipulá-las fazem parte da infraestrutura padrão de laboratórios modernos.

A física quântica atravessa atualmente o que muitos pesquisadores chamam de “segunda revolução quântica”. Na primeira revolução, ocorrida no início do século XX, os cientistas descobriram propriedades estranhas do mundo quântico, como a superposição, na qual uma partícula pode existir em múltiplos estados simultaneamente, e o entrelaçamento quântico, em que estados quânticos distintos tornam-se conectados de forma extremamente incomum.

Agora, nessa nova fase, os pesquisadores estão aprendendo a manipular essas propriedades de maneira intencional para criar aplicações altamente avançadas em computação, comunicação e sensoriamento.

Na computação quântica, os qubits precisam permanecer relativamente isolados do ambiente para preservar suas propriedades delicadas. Já os sensores quânticos funcionam justamente porque seus qubits interagem com o ambiente de maneiras específicas e mensuráveis.

Um exemplo conhecido de aplicação quântica na medicina é a ressonância magnética, que utiliza propriedades quânticas dos núcleos de hidrogênio do corpo humano para formar imagens internas detalhadas. Outro exemplo são dispositivos supercondutores utilizados para detectar os fracos campos magnéticos produzidos pela atividade cerebral.

Entre os sensores quânticos mais utilizados atualmente estão os chamados centros NV em diamantes. Esses sistemas surgem quando um átomo de carbono no cristal de diamante é substituído por um átomo de nitrogênio, enquanto um átomo vizinho de carbono está ausente, criando uma espécie de defeito microscópico na estrutura cristalina.

Os elétrons presentes nesse local possuem estados quânticos extremamente sensíveis a fatores ambientais como temperatura e campos magnéticos. Utilizando lasers e micro-ondas, cientistas conseguem manipular esses estados quânticos e interpretar mudanças extremamente pequenas no ambiente ao redor. Esses sensores são altamente estáveis e funcionam mesmo em temperatura ambiente, diferentemente de muitos sistemas quânticos que exigem temperaturas extremamente baixas.

Atualmente, sensores baseados em diamantes NV são utilizados principalmente em aplicações ligadas à física e à engenharia de materiais, como análise de semicondutores. Aplicações biológicas, porém, têm sido mais difíceis porque organismos vivos são sistemas extremamente complexos, quentes e biologicamente instáveis em comparação aos ambientes altamente controlados normalmente usados em experimentos quânticos.

Mesmo assim, o interesse pela aplicação biológica dessas tecnologias está crescendo rapidamente. Instituições de pesquisa vêm direcionando financiamentos específicos para o desenvolvimento de sensores quânticos biomédicos, e grupos científicos investigam formas de utilizar diamantes NV para criar ressonâncias magnéticas em escala nanométrica ou melhorar técnicas cirúrgicas guiadas por marcadores magnéticos.

Pesquisadores também conseguiram desenvolver testes experimentais para HIV extremamente sensíveis utilizando diamantes modificados quimicamente para reconhecer moléculas específicas no plasma sanguíneo, alcançando sensibilidade até cem mil vezes superior à de métodos tradicionais.

Apesar dessas vantagens, sensores baseados em diamantes possuem limitações importantes. Eles tendem a ser relativamente grandes em comparação às proteínas celulares e são difíceis de posicionar exatamente onde os cientistas desejam dentro das células. As proteínas fluorescentes oferecem uma vantagem enorme nesse aspecto, pois podem ser produzidas diretamente no interior das células por meio de engenharia genética, permitindo posicionamento extremamente preciso próximo das estruturas biológicas que se deseja estudar.

Cerca de dez anos atrás, David Awschalom, diretor do Instituto Quântico de Chicago, começou a investigar se moléculas poderiam funcionar como qubits. A ideia era criar sistemas quânticos produzidos pela química molecular em vez de depender exclusivamente de estruturas sólidas como diamantes ou semicondutores. Em 2020, sua equipe demonstrou que uma molécula organometálica sintética podia comportar-se como um qubit funcional. Posteriormente, o grupo conseguiu resultados semelhantes com outras moléculas.

Esse avanço levou Awschalom e Maurer a explorarem moléculas biológicas capazes de apresentar comportamento quântico semelhante. Eles concentraram atenção em uma proteína fluorescente amarela aprimorada chamada EYFP, desenvolvida originalmente para emitir brilho amarelo intenso em experimentos biológicos. Do ponto de vista físico, a estrutura energética dos elétrons dessa proteína apresenta características semelhantes às observadas em sistemas quânticos já conhecidos.

Proteínas fluorescentes funcionam porque seus elétrons absorvem energia da luz laser e depois liberam parte dessa energia na forma de fluorescência. Normalmente, biólogos inserem o código genético dessas proteínas junto ao código de proteínas específicas que desejam estudar. Quando a célula produz a proteína-alvo, ela também produz o marcador fluorescente, permitindo visualizar sua presença por meio de luz laser.

Pesquisadores desenvolveram variantes fluorescentes de diferentes cores e funções. Algumas conseguem responder a mudanças de acidez celular, forças mecânicas, presença de cálcio ou atividade de enzimas importantes para regulação celular. Entretanto, proteínas fluorescentes tradicionais não conseguem detectar campos magnéticos.

Os cientistas perceberam que uma pequena fração dos elétrons excitados nessas proteínas entra temporariamente em um estado especial chamado estado tripleto, no qual existem três possíveis configurações de spin eletrônico. Esse fenômeno faz com que a fluorescência oscile ou diminua brevemente.

Tradicionalmente, pesquisadores consideravam isso um problema porque reduzia o brilho das proteínas. Porém, Maurer percebeu que justamente esse estado tripleto poderia permitir a criação de superposições quânticas úteis para sensoriamento.

Após compreender os níveis energéticos envolvidos, a equipe conseguiu colocar a proteína EYFP em um estado quântico controlado utilizando lasers e micro-ondas. O resultado foi que a intensidade da fluorescência passou a variar de acordo com a presença de campos magnéticos, com alterações próximas de 30%. Os pesquisadores demonstraram que o sensor quântico funcionava em células bacterianas vivas e em temperatura ambiente.

Ainda existem muitos desafios a serem resolvidos. Proteínas fluorescentes tendem a ser frágeis e degradam-se gradualmente quando expostas continuamente à luz. Além disso, os cientistas desejam aumentar sua sensibilidade. Curiosamente, biólogos haviam desenvolvido anteriormente proteínas fluorescentes que passavam o mínimo possível de tempo no estado tripleto para evitar perda de brilho. Agora, os pesquisadores pretendem fazer justamente o contrário: criar versões que permaneçam mais tempo nesse estado quântico especial para melhorar sua utilidade como sensores.

A capacidade de detectar diretamente campos eletromagnéticos é considerada especialmente promissora. Nathan Shaner, engenheiro biológico da Universidade da Califórnia em San Diego, destaca que medir sinais elétricos produzidos por neurônios é extremamente difícil porque as alterações envolvidas são minúsculas. Sensores quânticos baseados em proteínas poderiam oferecer uma solução muito mais sensível para monitorar atividade cerebral em escala celular.

Outros pesquisadores também estão explorando propriedades quânticas em proteínas fluorescentes modificadas. Andrew York, físico do Chan Zuckerberg Biohub, observou que proteínas fluorescentes vermelhas e verdes tornam-se ligeiramente sensíveis a campos magnéticos quando associadas a moléculas chamadas flavinas. Esses sistemas funcionam em temperatura ambiente e até em organismos vivos simples, como bactérias e vermes microscópicos.

Pesquisadores ligados à Universidade de Oxford demonstraram que esses sistemas envolvem estados quânticos ainda mais complexos, incluindo entrelaçamento entre elétrons vizinhos dentro da molécula. Eles criaram milhares de variantes proteicas ligeiramente diferentes e selecionaram as mais sensíveis a campos magnéticos para estudos futuros.

Uma aplicação particularmente interessante dessas proteínas seria a criação de novas formas de imagem biomédica. Atualmente, microscópios fluorescentes produzem imagens extremamente detalhadas, mas possuem limitações importantes de profundidade porque a luz se dispersa nos tecidos biológicos. Em geral, a observação direta só consegue penetrar cerca de um milímetro no tecido antes que a imagem fique desfocada.

A proposta dos pesquisadores é utilizar ondas de rádio e gradientes de campo magnético para controlar quando e onde as proteínas fluorescentes brilham. Mesmo que a luz se espalhe ao atravessar os tecidos, seria possível reconstruir sua origem utilizando informações conhecidas sobre os campos magnéticos aplicados. A ideia combina características da ressonância magnética com a especificidade molecular das proteínas fluorescentes.

Até agora, experimentos iniciais conseguiram gerar imagens simples utilizando bactérias fluorescentes inseridas em estruturas artificiais do tamanho aproximado de um camundongo, alcançando resolução de cerca de meio milímetro. Embora o sistema ainda seja rudimentar, os pesquisadores acreditam que melhorias futuras permitirão criar instrumentos tridimensionais muito mais precisos.

A possibilidade de controlar proteínas biologicamente ativas usando campos magnéticos também abre caminho para um conceito chamado magnetogenética, no qual sinais magnéticos externos poderiam ativar remotamente determinadas proteínas dentro do organismo para desencadear respostas terapêuticas específicas. Isso poderia futuramente permitir tratamentos altamente direcionados em regiões profundas do corpo sem necessidade de procedimentos invasivos.

Embora o desenvolvimento de sensores quânticos baseados em proteínas ainda esteja em estágio inicial, muitos pesquisadores consideram a área extremamente promissora. Ainda será necessário demonstrar que suas vantagens superam limitações como fragilidade estrutural quando comparadas aos sensores baseados em diamantes.

Mesmo assim, vários cientistas acreditam que a capacidade de posicionar proteínas fluorescentes diretamente dentro das células oferece um diferencial enorme que pode tornar essa tecnologia uma das principais ferramentas futuras da biologia quântica. Como afirmam alguns pesquisadores da área, os avanços atuais provavelmente representam apenas o começo de uma nova geração de sensores biológicos extremamente sensíveis e sofisticados.

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