Publicados en Nature Physics, los hallazgos de un nuevo estudio codirigido por los equipos de la Clínica Cleveland y de la Universidad Case Western Reserve muestran por primera vez cómo las ideas de la física cuántica pueden ayudar a desarrollar nuevas intervenciones de drogas para las infecciones bacterianas y el cáncer.

El equipo de investigación demostró que los principios de control cuántico, un campo de la física cuántica utilizado en aplicaciones informáticas, puede ser traducido y aplicado a problemas biológicos.

Construyeron un algoritmo matemático que puede ser utilizado para diseñar y acelerar intervenciones específicas para prevenir o anular la resistencia a las drogas.

Típicamente, las células en presencia de drogas evolucionan de acuerdo con la selección natural darwiniana: los mutantes que son resistentes a la droga pueden superar a sus vecinos susceptibles, dominando la población.

En contra de la intuición, también se puede cooptar este proceso para lograr el resultado opuesto, derrotando finalmente la resistencia a las drogas.

Por ejemplo, una mutación que cause resistencia a una droga puede causar una susceptibilidad extrema a otra, un fenómeno conocido como sensibilidad colateral.

"Si ese mutante es inicialmente sólo una pequeña fracción de la población, podemos utilizar la primera droga para fomentar su dominio, y luego aplicar la segunda droga para eliminar rápidamente la infección", dijo el médico-científico Jacob Scott, MD, DPhil, un oncólogo de radiación en la Clínica Cleveland y autor co-senior del estudio, refiriéndose a los resultados de un estudio que su grupo publicó a principios de este año.

"Pero también sabemos que la primera etapa puede ser lenta: las mutaciones se producen en momentos aleatorios, y esperar el tiempo suficiente hasta que el mutante tome el control por completo podría comprometer la eficacia del tratamiento y los resultados de los pacientes". El tiempo que toma asegurar que estas intervenciones sean exitosas ha sido una limitación significativa para adoptar la medicina evolutiva en la práctica clínica".

Acelerar este proceso es donde la física cuántica puede servir de inspiración.

"La aleatoriedad de las mutaciones en la evolución tiene paralelos matemáticos intrigantes con la aleatoriedad de los fenómenos cuánticos", según el profesor Michael Hinczewski, biofísico teórico de la Universidad Case Western Reserve y coautor principal.

"Esta aleatoriedad hace que sea un reto conducir de forma fiable y rápida un sistema cuántico de un estado a otro. Resolver este problema de conducción es un ingrediente esencial en ciertos tipos de computación cuántica. Nuestro nuevo estudio explota estos paralelismos, traduciendo una técnica cuántica particular conocida como conducción antidiabética al lenguaje de la biología evolutiva".

"Imagina que intentas que un sistema siga un camino deseado desde un estado inicial hasta un estado final en un corto periodo de tiempo, ya sea este camino una secuencia de estados cuánticos o proporciones variables de mutantes en una población en evolución", dijo el Prof. Hinczewski. "La conducción antidiabética es una forma de corrección dinámica, que proporciona la suficiente intervención externa para mantener el sistema en el camino a cada instante, sin importar lo rápido que sea el protocolo".

Los investigadores crearon un algoritmo matemático para calcular esta intervención en las aplicaciones de la medicina evolutiva.

La salida del algoritmo es una receta para alterar dinámicamente las dosis o tipos de drogas para mantenerse en la ruta objetivo.

El equipo demostró su técnica usándola para manipular la evolución en simulaciones de células vivas.

Estas simulaciones se basaron en datos experimentales de un estudio anterior sobre un conjunto de mutantes que mostraban diversos grados de resistencia a los fármacos antipalúdicos.

La conducción antidiabética cambió la proporción de mutantes, afectando la sensibilidad general de la población a las drogas, más rápidamente y con un mejor control de lo que podría esperarse utilizando los métodos experimentales actuales de la medicina evolutiva.

Dados los prometedores hallazgos del equipo, la siguiente fase de su investigación será la realización de pruebas experimentales directas del enfoque.

Como primer ejemplo de conducción antidiabética en un contexto biológico, los investigadores tienen la esperanza de que su labor pueda servir de base para una nueva esfera de estudio: la fiscalización biológica de inspiración cuántica.

Los investigadores tienen previsto aplicar estas ideas a otros sistemas biológicos que comparten similitudes con la evolución, como el desarrollo de células madre y la ecología.

Fuente: Cleveland Clinic