La mecánica cuántica y el olfato

En la actualidad se desconoce cómo funciona exactamente el olfato: sabemos que una proteína olfativa debe ser activada [1], pero el mecanismo físico por el cual lo hace aún no ha sido completamente determinado. La teoría que era mas aceptada consiste en que la molécula olfativa (identificación del olor que detectamos) se ajusta al receptor en nuestra nariz como una llave y cerradura, es decir, cada olor tiene una forma única que solo puede ser detectada por un tipo de receptor único. Sin embargo, se ha demostrado que esta teoría por sí sola no es suficiente para explicar la respuesta olfativa [6].

Por un lado, moléculas de formas muy diversas pueden activar el mismo receptor y a la inversa, algunas moléculas de la misma forma activan varios receptores. Hay alrededor de 390 tipos de receptores olfativos humanos funcionales [1], todos los cuales están de alguna manera “sintonizados” para responder a los diferentes estímulos moleculares ofrecidos por los olores con el fin de abarcar un espacio olfativo de potencialmente miles de olores [2]. Y lo hacen en un proceso combinatorio, muchos receptores activados constituyen un sistema de identificación que determina un olor especifico. Los receptores hacen esto de manera constante y se demuestra que son sensibles a “algo” de las moléculas olfativas (en aproximadamente 390 formas).

Figura 1. Las moléculas (a)-(d) tienen formas muy diferentes pero huelen casi igual. Las moléculas (e) y (f) tienen casi la misma forma pero huelen extremadamente diferente. Si el método de llave y cerradura fuera correcto, las moléculas (a)-(d) deberían de oler muy diferente y (e)-(f) casi igual. Ilustración de [4].

En 1938 fue propuesto por Dyson y luego por Wright [5,8] que el “algo” descrito anteriormente podría ser las vibraciones moleculares de las moléculas olfativas y el receptor está de alguna manera detectando las fluctuaciones térmicas de la molécula. Esta teoría no tuvo mucho éxito en la comunidad científica, pero dio origen a la idea de que el olfato utiliza un mecanismo cuántico para su funcionamiento.

Figura 2. (Izquierda) Mecanismo del olfato. (Derecha) Un esquema que ilustra el posible papel de los efectos cuánticos en el olfato. En el pasado se había propuesto que el olfato dependía de la forma y el tamaño de las moléculas olfativas que se ajustan a un receptor específico, los experimentos con moscas de fruta han indicado que la sustitución de hidrógeno por deuterio da como resultado un cambio de olor a pesar de que tienen la misma forma. Esto sugiere que la frecuencia de cada molécula podría desempeñar un papel en la detección de olores. Ilustraciones de [4,6].

En 1996 Lucas Turín [7], inspirado en parte por Dyson y Wright, propuso que el receptor está detectando las frecuencias de las moléculas olfativas, una propiedad intrínsecamente cuántica. De acuerdo con esta teoría, en el receptor olfativo un electrón hará efecto túnel desde un donante hasta un sitio aceptor solo cuando la diferencia de energía entre estos sitios corresponda con la energía de la molécula olfativa. Con la excitación causada por la transferencia de electrones se detecta la frecuencia de la molécula, que es independiente de su forma. Esta señal es transmitida al cerebro para ser convertida en lo que detectamos como olor.

Figura 3. Método propuesto por Turin. (Izquierda) El receptor olfativo empieza vacío, contiene un electrón donador (D) y aceptor (A). (Derecha) Cuando la molécula olfativa entra al receptor ocurre una transferencia de electrones. Ya que existe un exceso de energía por la presencia de la molécula, un electrón puede utilizar el efecto túnel para pasar de donador (D) a aceptor (A) y excitar el estado de la molécula olfativa. Ilustración de [3].

Referencias

[1] Jennifer C. Brookes.((Quantum effects in biology: golden rule in enzymes, olfaction, photosynthesis andmagnetodetection)). En:Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Scien-ces473.2201 (2017), pag. 20160822.doi:10.1098/rspa.2016.0822. eprint:https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rspa.2016.0822.url:https://royalsocietypublishing.org/doi/abs/10.1098/rspa.2016.0822.

[2] K. Harini y Ramanathan Sowdhamini.((Computational Approaches for Decoding Select Odorant-OlfactoryReceptor Interactions Using Mini-Virtual Screening)). En:PLOS ONE10.7 (jul. de 2015), pags. 1–30. doi:10.1371/journal.pone.0131077.url:https://doi.org/10.1371/journal.pone.0131077

[3] S.F. Huelga y M.B. Plenio.((Vibrations, quanta and biology)). En:Contemporary Physics54.4 (2013),pags.181–207. doi:10.1080/00405000.2013.829687. eprint:https://doi.org/10.1080/00405000.2013.829687.url:https://doi.org/10.1080/00405000.2013.829687.

[4] Jim Al-Khalili Johnjoe McFadden.Life on the Edge. The Coming of Age of Quantum Biology. CrownPublishers, mar. de 2014.isbn: 978–0–307–98681–8.url:https://www.crownpublishing.com.

[5] G. Malcolm Dyson.((The scientific basis of odour)). En:Journal of the Society of Chemical Industry57.28(1938), pags. 647–651.doi:10.1002/jctb.5000572802. eprint:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/jctb.5000572802.url:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jctb.5000572802.

[6] Adriana Marais y col.((The future of quantum biology)). En:Journal of the Royal Society Interface15.148(2018).issn: 17425662.doi:10.1098/rsif.2018.0640

[7] C. S. Sell.((On the Unpredictability of Odor)). En:Angewandte Chemie International Edition45.38 (2006),pags. 6254–6261.doi:10.1002/anie.200600782. eprint:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/anie.200600782.url:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.200600782.

[8] Luca Turin.((A Spectroscopic Mechanism for Primary Olfactory Reception)). En:Chemical Senses21.6(dic. de 1996), p ́ags. 773–791.issn: 0379–864X.doi:10.1093/chemse/21.6.773. eprint:https://academic.oup.com/chemse/article-pdf/21/6/773/1320021/21-6-773.pdf.url:https://doi.org/10.1093/chemse/21.6.773.

[9] R.H. Wright.((Odor and molecular vibration: Neural coding of olfactory information)). En:Journal ofTheoretical Biology64.3 (1977), p ́ags. 473–502.issn: 0022–5193.doi:https://doi.org/10.1016/0022-5193(77)90283-1.url:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0022519377902831.