Phonon-limited detection thresholds for genetically encoded fluorescent-protein spin-qubit relaxometry of neural radicals

El sistema nervioso depende de señales químicas diminutas y fugaces para coordinar el pensamiento, el movimiento y la memoria. Entre estos mensajeros más importantes se encuentran el óxido nítrico y las especies reactivas de oxígeno, moléculas que derivan entre las células para regular el flujo sanguíneo, fortalecer las conexiones entre las neuronas y gestionar la energía celular. Debido a que estas señales se generan en ubicaciones específicas y microscópicas y desaparecen casi tan rápido como aparecen, medirlas ha sido durante mucho tiempo un desafío para los científicos. Las herramientas tradicionales son o demasiado grandes para caber dentro de una sola célula o demasiado rudimentarias para distinguir el momento preciso en que se libera una señal. A menudo perturban el mismo entorno que intentan medir, o no logran detectar directamente la naturaleza magnética de estas moléculas radicales. Para comprender verdaderamente cómo funciona el cerebro a nivel molecular, los investigadores necesitan un sensor que sea lo suficientemente pequeño como para ser integrado en la propia maquinaria de la célula, capaz de situarse justo al lado de la fuente de la señal y lo suficientemente sensible como para sentir el tenue susurro magnético de una sola molécula pasajera.

Un estudio teórico reciente explora si un tipo específico de proteína diseñada puede servir como este sensor ideal. Los investigadores se centraron en una proteína fluorescente codificada genéticamente, una molécula que puede ser programada mediante el ADN para unirse a enzimas específicas dentro de una célula. Esta proteína posee una propiedad única: cuando es impactada por un color de luz específico, entra en un estado especial donde sus electrones actúan como un diminuto imán, o un qubit de espín. Este estado magnético es sensible a su entorno. Si un radical paramagnético, como el óxido nítrico, deriva cerca, su campo magnético fluctuante hace que el reloj interno de la proteína lata más rápido o más lento. Al medir con qué rapidez cambia este reloj interno, los científicos podrían, teóricamente, calcular la concentración local de estas vitales moléculas de señalización. La idea es elegante porque el sensor no es un objeto extraño introducido en la célula; es parte de la propia célula, fusionado genéticamente a la misma enzima que produce la señal, colocando al detector a pocos nanómetros de la acción.

Sin embargo, cuando los investigadores analizaron los números para ver si este concepto funciona en el mundo real, encontraron un obstáculo significativo. Desarrollaron una teoría detallada para predecir los límites de la sensibilidad de este sensor, teniendo en cuenta el ruido de la luz, la vida útil de la proteína y la física de cómo el sensor interactúa con su entorno. Sus cálculos revelaron que la versión nativa de esta proteína, tal como existe hoy, es demasiado ruidosa para detectar niveles fisiológicos de radicales neuronales. A temperatura ambiente, el reloj interno del sensor es tan inestable que cambia demasiado rápido para notar la sutil influencia de un radical pasajero. El estudio muestra que el sensor actual se queda corto en la sensibilidad requerida por un factor de uno a un millón o de uno a cien millones. El principal culpable no es el diseño del sensor ni las limitaciones de la luz utilizada para leerlo, sino la forma en que la propia proteína vibra. Los átomos dentro de la proteína están constantemente agitándose debido al calor, y estas vibraciones interactúan con el estado magnético del sensor, haciendo que pierda su coherencia casi instantáneamente.

Los investigadores plantearon entonces una pregunta crítica: ¿qué se necesitaría para solucionar esto? Desglosaron la física de las vibraciones de la proteína y descubrieron que el ruido está dominado por un tipo específico de interacción que involucra dos vibraciones ocurriendo al mismo tiempo. Esta interacción es extremadamente sensible a qué tan rígida es la estructura de la proteína. El equipo encontró que, si el entorno que rodea el núcleo de la proteína pudiera hacerse aproximadamente el doble de rígido, el reloj interno del sensor se ralentizaría lo suficiente como para ser útil. Este endurecimiento permitiría al sensor detectar concentraciones de radicales en el rango micromolar, lo que corresponde a los estallidos de señalización que ocurren cuando las neuronas están activas. Sin embargo, alcanzar los niveles de reposo aún más bajos de estas señales —concentraciones nanomolares— requeriría una estructura aún más rígida, una que suprima un tipo diferente de vibración que actualmente establece un límite estricto sobre qué tan lento puede latir el reloj.

Más allá de los requisitos estructurales, el estudio también destacó un segundo cuello de botella importante: el número de partículas de luz, o fotones, que el sensor puede emitir antes de ser destruido por la propia luz utilizada para leerlo. Incluso si el reloj interno de la proteína fuera perfecto, el sensor seguiría teniendo dificultades para detectar niveles bajos de radicales si no puede producir suficiente luz para ser visto claramente contra el ruido de fondo. Los investigadores calcularon que, para lograr la sensibilidad necesaria, los científicos necesitarían mejorar el brillo del sensor y la eficiencia de los equipos ópticos en varios órdenes de magnitud, o utilizar millones de sensores trabajando juntos. Esto crea una compensación: mejorar la estabilidad interna del sensor es la forma más eficiente de aumentar la sensibilidad, pero debe ir acompañado de una mejor recolección de luz para ser efectivo.

El artículo también exploró cómo este sensor anclado genéticamente se compara con las tecnologías existentes. Los métodos actuales suelen utilizar diminutos diamantes que contienen vacancias de nitrógeno, los cuales son excelentes sensores pero son demasiado grandes para colocarse dentro de una proteína específica. Deben entregarse a la célula como partículas extrañas y típicamente se sitúan a diez o veinte nanómetros de distancia del objetivo, perdiendo las señales más concentradas. El sensor de proteína fluorescente, por el contrario, puede fusionarse directamente con la fuente, situándolo a solo unos pocos nanómetros de distancia. Esta proximidad le otorga una ventaja distintiva en la detección de estallidos locales de actividad, siempre que se puedan resolver los problemas de estabilidad interna. Los investigadores también propusieron un método para distinguir entre diferentes tipos de radicales midiendo cómo responde el sensor a diferentes frecuencias magnéticas, una capacidad de la que carecen los sensores de frecuencia única actuales.

En última instancia, el estudio concluye que, si bien el concepto de utilizar estas proteínas como sensores cuánticos es científicamente sólido, la versión actual aún no está lista para el uso biológico. El camino a seguir es claro pero exigente: requiere un esfuerzo dirigido para diseñar la estructura de la proteína para que sea significativamente más rígida y mejorar los sistemas ópticos para capturar más luz. Los investigadores han proporcionado una hoja de ruta específica y cuantitativa para este desafío de ingeniería, definiendo exactamente cuánto debe cambiar la proteína para convertirse en una herramienta viable para la neurociencia. Sugieren que, a través de la evolución dirigida, un proceso donde las proteínas se mejoran iterativamente en el laboratorio, puede ser posible lograr la rigidez necesaria. Hasta entonces, el sueño de observar los radicales neuronales en tiempo real con un sensor cuántico codificado genéticamente permanece fuera de alcance, bloqueado por las vibraciones fundamentales de la propia proteína.