A Quantum Biocomputing está à nossa frente?

Agora que conhecemos ferramentas bio / moleculares que permitem que organismos vivos lidem com cálculos quânticos, por exemplo, as proteínas sofisticadas que permitem que os pássaros manejem a coerência quântica (por exemplo, a agulha quântica da bússola magnética aviária ou Localização de cone duplo e padrão de expressão sazonal) Papel na magnetorecepção para o Robin Cryptochrome europeu 4 ) Gostaria de saber:

• Essas ferramentas já estão resolvendo problemas que você (pesquisadores de computação quântica) tem?
• Existe algum problema específico com o qual essas ferramentas 'precisam' estar resolvendo de alguma forma com as quais você está enfrentando problemas em seus laboratórios?
• Poderíamos usá-los (embora isso implique uma mudança de paradigma em direção à biotecnologia)?

"A Quantum Biocomputing está à nossa frente?"

Houve algum trabalho realizado em biocomputação , computação quântica , química de spin e reações magnetoquímicas .

Pares de radicais correlacionados - pares de radicais transitórios criados simultaneamente, de modo que os 2 elétrons giratórios, um em cada radical, são correlacionados - nas proteínas magnetoreceptivas fotoativas, como os Criptocromos , não constituem computação quântica.

Veja: " Magnetorecepção dependente de luz em aves: análise do comportamento sob luz vermelha após pré-exposição à luz vermelha " por W. Wiltschko, Gesson, Noll e R. Wiltschko no Journal of Experimental Biology, 2004.

Consulte o artigo " Magnetorecepção animal baseada na visão " no site da QuantBioLab, grupo de pesquisa em Biologia Quântica e Física Computacional da Universidade do Sul da Dinamarca (SDU):

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Figura 7. Ilustração esquemática do olho de um pássaro e seus componentes importantes. A retina (a) converte imagens do sistema óptico do olho em sinais elétricos enviados ao longo das células ganglionares que formam o nervo óptico para o cérebro. (b) Um segmento de retina aumentado é mostrado esquematicamente. (c) A retina consiste em várias camadas celulares. Os sinais primários que surgem nos segmentos externos da haste e do cone são transmitidos para as células horizontal, bipolar, amacrina e ganglionar. (d) O sinal primário de fototransdução é gerado na proteína receptora rodopsina mostrada esquematicamente a uma densidade muito reduzida. As membranas contendo rodopsina formam discos com uma espessura de ~ 20 nm, sendo ~ 15–20 nm separados um do outro.

Em termos matemáticos, a bússola baseada em visão em aves é caracterizada por uma função de filtro, que modela a modulação do sinal visual mediada por campo magnético registrada na retina da ave (ver Fig. 8).

Figura 8. Vista panorâmica em Frankfurt am Main, Alemanha. A imagem mostra a perspectiva da paisagem registrada a partir de uma altitude de vôo de pássaro de 200 m acima do solo, com as direções cardeais indicadas. O campo visual é modificado através da função de filtro magnético; os padrões são mostrados para um pássaro olhando para oito direções cardeais (N, NE, E, SE, S, SW, W e NW). O ângulo de inclinação do campo geomagnético é de 66 °, sendo um valor característico para a região.

Um computador biomecânico foi criado. Bio4Comp, um projeto de pesquisa financiado pela UE, criou máquinas biomoleculares com apenas alguns bilionésimos de metro (nanômetros) de tamanho. Os sistemas de motilidade actina-miosina e microtúbulo-cinesina podem resolver problemas movendo-se através de uma rede nanofabricada de canais projetados para representar um algoritmo matemático; uma abordagem que denominamos "biocomputação baseada em rede". Sempre que as biomoléculas atingem uma junção na rede, elas adicionam um número à soma que estão calculando ou a deixam de fora. Dessa forma, cada biomolécula atua como um pequeno computador com processador e memória. Embora uma biomolécula individual seja muito mais lenta que um computador atual, elas são auto-montadas para que possam ser usadas em grandes números, aumentando rapidamente seu poder de computação. Um exemplo de como isso funciona é mostrado no vídeo em seu site.

• Essas ferramentas já estão resolvendo problemas que você (pesquisadores de computação quântica) tem?

• Existe algum problema específico com o qual essas ferramentas 'precisam' estar resolvendo de alguma forma com as quais você está enfrentando problemas em seus laboratórios?

• Poderíamos usá-los (embora isso implique uma mudança de paradigma em direção à biotecnologia)?

"O primeiro passo para resolver problemas matemáticos com a biocomputação baseada em rede é codificar o problema no formato de rede, para que os motores moleculares que exploram a rede possam resolver o problema. Já encontramos codificações de rede para vários problemas completos de NP, que são particularmente difíceis para resolver com computadores eletrônicos.Por exemplo, codificamos soma de subconjunto, cobertura exata, satisfação booleana e vendedor ambulante .

No projeto Bio4Comp, focaremos na otimização dessas codificações, para que possam ser resolvidas com agentes biológicos com eficiência e aumentadas mais rapidamente. De maneira análoga aos algoritmos de computador otimizados, as redes otimizadas podem reduzir bastante o poder de computação (e, portanto, o número de proteínas motoras) necessário para encontrar a solução correta. "- Fonte: Bio4Comp Research .

Outro artigo interessante que apóia minha resposta de que pares radicais não constituem um computador quântico, mas é apenas uma reação bioquímica quântica demonstrando a química dos spin, é " Sonda quântica e design para uma bússola química com nanoestruturas magnéticas " por Jianming Cai (2018).

Introdução. - Recentemente, tem havido um interesse crescente na biologia quântica, nomeadamente na investigação de efeitos quânticos em sistemas químicos e biológicos, por exemplo, sistema de colheita de luz, bússola aviária e sentido olfativo. A principal motivação é entender como a coerência quântica (emaranhamento) pode ser explorada para a realização de funções biológicas. Como passo fundamental para esse objetivo, é desejável encontrar ferramentas que possam detectar efeitos quânticos sob condições ambientais. O objetivo final do interesse prático no estudo da biologia quântica é aprender com a natureza e projetar dispositivos altamente eficientes que podem imitar sistemas biológicos para concluir tarefas importantes, por exemplo, coletando energia solar e detectando um campo magnético fraco.

Como exemplo da biologia quântica, o mecanismo de pares radicais é uma hipótese intrigante para explicar a capacidade de algumas espécies de responder a campos magnéticos fracos, como pássaros, moscas da fruta e plantas. Uma bússola magnetoquímica pode encontrar aplicações em magnetometria remota, em um mapeamento magnético de materiais microscópicos ou topograficamente complexos e em imagens através de meios dispersantes. Foi demonstrado que uma bússola sintética doador-ponte-aceitador composta por um carotenóide (C), porfirina (P) e fulereno (F) pode funcionar a baixa temperatura (193 K). É surpreendente que uma molécula dessa tríade seja o único exemplo conhecido que demonstrou experimentalmente ser sensível ao campo geomagnético (ainda que não à temperatura ambiente).

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Resumo. - Demonstramos que um campo gradiente pode levar a uma melhoria significativa no desempenho de uma bússola química. O campo gradiente também nos fornece uma ferramenta poderosa para investigar a dinâmica quântica de reações de pares radicais na química de spin . Em particular, ele pode distinguir se o estado inicial do par radical está no estado singleto emaranhado ou no estado classicamente correlacionado, mesmo nos cenários em que tal objetivo não poderia ser alcançado antes. Esses fenômenos persistem após a adição de médias orientacionais parciais e a adição de ruído magnético realista. Os efeitos previstos podem ser detectáveis ​​em uma bússola de sistema híbrido composta por nanopartículas magnéticas e pares de radicais em um hospedeiro cristalino líquido orientado. Nosso trabalho oferece um método simples para projetar / simular um sensor de campo magnético fraco, biologicamente inspirado, baseado no mecanismo de pares de radicais com alta sensibilidade que pode funcionar à temperatura ambiente.

Muito foi escrito sobre Biologia Quântica . Uma abordagem um tanto antiga - e ainda assim sólida - é a de Phillip Ball, O início da Biologia Quântica (Nature 2011, 474, 271-274). Por enquanto, não vamos revisar isso e, em vez disso, focar nas suas perguntas.

Na primeira pergunta: ( está resolvendo nossos problemas? )

Um sistema (ou processo) descrito pela Quantum Biology é não-trivialmente mecânico quântico , portanto, interessante, mas, pelo que sei, também não é multibbit , portanto, não é realmente sobre o que é computação quântica. Em particular: os processos biológicos quânticos atualmente conhecidos não apresentam escalabilidade e tampouco apresentam portas lógicas quânticas (ou não da maneira que os entendemos pelo menos), muito menos algoritmos quânticos. Então, como resposta, é principalmente um não: essas ferramentas não estão resolvendo nossos problemas.

Na segunda questão: ( está resolvendo um problema específico com o qual estamos lutando? )

Coerência quântica confiável no estado sólido, em sistemas estruturados complexos e em alta temperatura é algo que todos nós gostaríamos de ver resolvido e, pelo menos até certo ponto, é disso que trata a Biologia Quântica. Portanto, no que diz respeito à atual compreensão do campo, essa é realmente uma questão específica em que as pessoas nos laboratórios estão trabalhando e que parece resolvida na biologia (já que as moléculas são nanoestruturas complexas). Sempre que formos capazes em nossos laboratórios alcançar de maneira confiável a coerência quântica no estado sólido, em sistemas estruturados complexos e em alta temperatura, saltaremos muito mais perto da utilidade e do baixo custo. Então, como resposta, isso é um sim.

Quanto à terceira questão: ( poderíamos usar biomoléculas como hardware quântico? )

Eles ainda não estão na liga principal, para dizer o mínimo. Mesmo como uma especulação otimista, eu diria que eles não estarão competindo com os grandes jogadores tão cedo, mas acredito nisso, à medida que a pesquisa avança no passado . Em particular, as chaves da relevância seriam combinar a coerência (aparentemente comprovada) em condições incomuns (quente e úmida), com a capacidade incomparável das biomoléculas de auto-organização extremamente complexa em estruturas funcionais. Como os qubits de spin molecular (coerentes e organizados) são o meu campo de pesquisa, permitam-me vincular a alguns artigos relevantes. Primeiro, uma primeira reação na primeira molécula magnética que era competitiva em termos de coerência com os candidatos regulares ao estado sólido e, portanto, como as moléculas magnéticas estão de volta na corrida em direção ao computador quântico origami de DNA do (e estratégias relacionadas) em Biologia Molecular e Biologia Sintética, em algum momento qubits biomoleculares pontuais desempenharão um papel no subconjunto de qubits de spin molecular. E também, esta proposta (divulgação: eu sou um autor) sobre o arXiv sobre por que e como alguém poderia usar peptídeos como estruturas versáteis para computação quântica .

Houve muito debate científico sobre evidências de efeitos quânticos na biologia devido às dificuldades de reproduzir evidências científicas. Alguns encontraram evidências de coerência quântica, enquanto outros argumentaram que esse não é o caso. (Bola, 2018).

O estudo de pesquisa mais recente (na Nature Chemistry, maio de 2018 ) encontrou evidências de um sinal oscilante específico indicando superposição. Os cientistas descobriram efeitos quânticos que duravam exatamente como o esperado com base na teoria e provaram que estes pertencem à energia sobreposta a duas moléculas simultaneamente. Isso resultou na conclusão de que os sistemas biológicos exibem os mesmos efeitos quânticos que os sistemas não biológicos.

Esses efeitos foram observados no centro de reação de Fenna-Matthews-Olsen da bactéria - Chlorobium Tepidum (Borroso-Flores, 2017).

Pesquisas demonstram que as dimensões e escalas de tempo dos processos de transferência de energia fotossintética os aproximam da fronteira quântica / clássica. Existem várias explicações para isso, mas elas parecem indicar que o limite quântico / clássico energeticamente barulhento é ideal para o controle de transferência de energia por excitação. Keren 2018.

Biologia Quântica como Semicondutores Biológicos

Essa dinâmica na biologia depende da química do spin (pares de radicais), e é reconhecido que "certos semicondutores orgânicos (OLEDs) exibem magnetoeletroluminescência ou magnetocondutância, cujo mecanismo compartilha física essencialmente idêntica com pares radicais na biologia"

 PJ Hore (2016).

Os termos 'spin singlets' e 'trigêmeos' são usados ​​em spintrônica (na investigação de semicondutores) e o termo pares radicais (incluindo spin singlets ou trigêmeos) são usados ​​para discutir a química de spin em biologia. Mas todos os termos estão descrevendo os mesmos fenômenos (apenas em diferentes domínios disciplinares). Recentemente, houve pedidos interdisciplinares para a integração da química de spin e da spintrônica em reconhecimento a este J Matysik (2017).

Os semicondutores biológicos que já foram identificados pelos cientistas incluem melanina e peptídeos, e agora os peptídeos estão sendo explorados como estruturas para a computação quântica.

Transferência de elétrons UltriaFast e armazenamento de informações de spin eletrônico em um spin nuclear

Durante a fotossíntese, as plantas usam coerência eletrônica para transferência ultra-rápida de energia e elétrons e selecionaram vibrações específicas para sustentar essas coerências. Dessa maneira, a transferência de energia fotossintética e a separação de carga alcançaram sua incrível eficiência. Ao mesmo tempo, essas mesmas interações são usadas para fotoproteger o sistema contra subprodutos indesejados da captação de luz e separação de carga em altas intensidades de luz

Rienk van Grondelle.

Na separação de carga nos centros de reação fotossintética, os estados triplos podem reagir com o oxigênio molecular, gerando oxigênio singlete destrutivo. Observa-se que o rendimento do produto tripleto em bactérias e plantas é reduzido por campos magnéticos fracos. Foi sugerido que esse efeito se deve à polarização nuclear dinâmica induzida fotoquimicamente no estado sólido (foto-CIDNP), que é um método eficiente de criar polarização sem equilíbrio de spins nucleares usando reações químicas, que têm pares radicais como intermediários ( Adriana Marais 2015). Dentro da biologia, tal mecanismo pode aumentar a resistência ao estresse oxidativo.

Observou-se que parece haver uma ligação entre as condições de ocorrência do foto-CIDNP nos centros de reação e as condições da transferência eficiente e inigualável de elétrons induzida pela luz nos centros de reação. J Matysik 2009,  IF Cespedes-Camacho e J Matysik 2014. 

Foi observado um efeito CIDNP no centro de reação de Fenna-Matthews-Olsen (Roy et al 2006).

Também foi observado um efeito CIDNP no dinucleotídeo de flavina adenina (FAD) ( Stob 1989) .

O FAD está implicado em efeitos quânticos teorizados em criptocromo e outras reações redox biológicas. A teoria amplamente aceita é que, durante a resposta a campos magnéticos, a fotoexcitação do cofator de flavina adenina dinucleotídeo (FAD) não covalentemente ligado no Cryptochrome leva à formação de pares radicais via transferências seqüenciais de elétrons ao longo da "tríade triptofana", uma cadeia de três resíduos de triptofano conservados dentro da proteína. Este processo reduz o estado singleto foto-excitado do FAD ao radical aniônico. Da mesma forma que o RMN do foto-CIDNP forneceu informações detalhadas sobre o transporte de elétrons fotossintético nos centros de reação, é esperado em várias aplicações em estudos mecanísticos de outras proteínas fotoativas.

'até agora, nenhum fenômeno CIDNP foi observado na spintrônica, embora a possibilidade de obter tais efeitos tenha sido mencionada: “Se a ressonância nuclear do spin tiver um impacto no transporte de elétrons dependentes de spin devido à interação hiperfina, em última análise, o oposto processo pode se tornar possível: armazenando informações sobre spin eletrônico no spin nuclear ”.

 J Matysik (2017).

Esta é uma extensão do Post Anin acima

A biologia quântica não pode simplesmente resolver as preocupações práticas da computação quântica como elas estão - pois a biologia não é simplesmente uma forma de semicondutor ou computador quântico.

Observo que acadêmicos importantes, como PJ Hore (citado acima), trabalhando no mecanismo de pares radicais em biologia, estão fortemente ligados à pesquisa de RMN desde o início. Esses estudiosos podem muito bem estar cientes dos benefícios e das armadilhas do trabalho interdisciplinar. Um dos principais riscos do estudo acadêmico é que, ao traçar paralelos entre as disciplinas, podemos ignorar as diferenças. É improvável que os complexos sistemas adaptativos da biologia se ajustem simplesmente às conceituações existentes na computação ou na física. Requer que os estudiosos examinem os fenômenos como algo desconhecido e com muitas possibilidades - algumas das quais podem desafiar quaisquer preconceitos que já tenham.

Por exemplo, focar apenas o mecanismo de pares radicais na pesquisa sobre eficiência quântica (dentro de processos biológicos) será de uso limitado sem entender seu contexto mais amplo.

Entendendo o contexto

Há pesquisas que evidenciam a interação do criptocromo com redox e mecanismos de tempo biológico em modelos de camundongos (Harino et a, 2017 ). E, mais amplamente, há uma crescente literatura sobre a interação de ritmos redox e circadianos (inclusive através de portas circadianas) em muitas plantas ( Guadagno et al, 2018) e espécies animais.

Trabalhos recentes investigaram ritmos circadianos da geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) e enzimas que eliminam ROS e ritmos circadianos da fotossíntese geradora de ROS. Foi sugerido que

"dado que as mudanças na taxa de fotossíntese levam a alterações na produção de oxigênio singlete, a regulação circadiana da fotossíntese pode dar origem a ritmos de produção de oxigênio singlete". ( Simon et al, 2019 ).

Se você quiser entender mais sobre os ritmos circadianos, sugiro verificar o trabalho de Alfred Goldbeters.

A biologia não separa tudo em componentes individuais

A operação de tais mecanismos de tempo tem implicações na eficiência quântica [ Garzia-Plazaola et al, 2017 ; Schubert et al, 2004 ) dentro da biologia. Sorek e Levy (2012) também pesquisaram relações com compensação de temperatura.

Todos os relógios circadianos conhecidos têm um período endógeno notavelmente insensível à temperatura ( Kidd et al, 2015 )

A partir da pesquisa acima, parece que a biologia pode tratar a sinalização da luz e da temperatura como integradas e não separadas ( Franklin et al, 2014) .

E não se trata apenas de resposta a campos magnéticos ou luz. O gene cry altera a fototransdução de luz azul (<420 nm) que afeta relógios biológicos, orientação espacial e táxis em relação à gravidade, campos magnéticos, radiação solar, lunar e radiação celestial em várias espécies ( Clayton, 2016)

Código Generativo?

Você pode considerar como sistemas biológicos quânticos podem ser associados ao código.

Um possível mecanismo é o da quimioluminescência espontânea (também conhecido por vários outros nomes, incluindo emissões ultra-fracas de fótons e biofotons). Esse mecanismo é amplamente encontrado na biologia (tanto em plantas quanto em animais) e ocorre onde espécies excitadas eletronicamente são formadas durante processos de estresse oxidativo ( Cifra et al, 2014 ), que estão associados à produção de ERO ( Pospíšil et al, 2014 ). . O pensamento é que

vários processos moleculares podem emitir fótons e que estes são transportados para a superfície celular por excitões que transportam energia. Um processo semelhante transporta a energia dos fótons através de matrizes gigantes de proteínas durante a fotossíntese ( revisão da tecnologia MIT, 2012 ).

Esse mecanismo tem sido associado a mudanças sistemáticas no metabolismo energético inerentes ao ciclo circadiano em animais e plantas ( Footitt et al, 2016 e Kobayashi et al, 2009 ). Também foi observado que uma clara vantagem desse mecanismo é que ele fornece informações espaço-temporais ( Burgos et al, 2017 )

Foi proposto que os fosfenos (que podem ser gerados em nosso córtex visual em resposta à luz tremeluzente , pressão, radiação cósmica e campos eletromagnéticos) são o resultado de Emissões Ultra Fracas de Fótons Császár et al, 2015 . Os mecanismos exatos por trás disso ainda estão sob investigação, mas deve-se notar que temos proteínas como o criptocromo em nossas próprias retinas ( Foley et al, 2011) . Os fosfenos geram uma grande variedade de formas e cores geométricas . Eles poderiam atuar como código / memória .

Qual pode ser o resultado do colapso da superposição

Se a superposição de 1 e 0 puder ser gerada, é necessário perguntar à pergunta qual é o resultado do recolhimento.

Uma metáfora para isso pode ser o colapso de ilusões visuais multiestáveis ​​- como o cubo de Necker . Estes apresentam a possibilidade de múltiplas imagens.

Podemos colapsar essas ilusões decidindo dar nossa atenção a uma possibilidade / imagem específica. A escolha de qual imagem assistimos varia entre indivíduos e essas escolhas são preferências. A escolha de uma imagem não valida essa imagem acima de todas as outras. É apenas uma escolha.

O que acabamos com é apenas uma escolha / interpretação de múltiplas possibilidades. Como tal, a aplicação da memória e da previsão resultam em interpretações ou construções (com a previsão baseada fortemente na memória) e não em uma resposta correta.

O colapso das super-posições pode então ser evitado por evitar essa escolha ou a superposição pode ser estabelecida novamente através de novas possibilidades - por exemplo, como geradas por mudanças ambientais.