De novas tecnologias para diagnóstico à compreensão aprofundada dos fenômenos da natureza, a biologia quântica abrange um fascinante universo a ser explorado pela ciência. Nos dias 21 e 22 de novembro de 2022, o Quantum Bio BR Summit reuniu na cidade do Rio de Janeiro cientistas, estudantes e entusiastas para uma série de palestras sobre o tema. O evento, organizado por Ciência Pioneira em parceria com a Universidade da Califórnia (UCLA) e o Instituto D’Or de Pesquisa e Ensino (IDOR), mostrou o potencial do setor ao conectar pesquisadores do Brasil e do mundo para fortalecer um novo olhar sobre estudos que englobam a relação entre os fenômenos quânticos e os organismos vivos.

“A biologia quântica é uma área emergente e ainda pouco explorada na Ciência mundial, e esta é uma oportunidade para o Brasil pegar essa onda enquanto está se formando e se tornar uma liderança internacional. A ideia de criar o Quantum Bio BR Summit é estimular essa área no país ao destacar pesquisas de múltiplos campos, desde a matemática até a física, a química, a biologia e a medicina. Fiquei surpreso com o grau de diálogo que aconteceu entre pesquisadores de áreas diferentes”, conta o Dr. Sergio Ferreira, neurocientista, Professor do Instituto de Biofísica da UFRJ e diretor científico da iniciativa Ciência Pioneira.

Evidências e evolução da biologia quântica

Para dar as boas-vindas ao público, Johnjoe McFadden, professor de genética molecular da Universidade de Surrey (Reino Unido), abriu a programação. O autor de obras como “A Evolução do Quantum” e “A Vida no Limite” deu um panorama introdutório sobre como partículas, fenômenos químicos e físicos estão interligados com os seres vivos, desde a fotossíntese à “bússola magnética”, que orienta os pássaros a se deslocarem durante as mudanças de estação.

Durante a tarde do primeiro dia do seminário, Wendy Bane (Universidade do Oeste de Michigan), Jeanlex Souza (UFC), Mauricio Baptista da Silva (USP), Jerson Lima (UFRJ) e Tommaso Macrí (UFRN) falaram sobre as evidências potenciais dos fenômenos quânticos na biologia. Na sessão seguinte, os elementos necessários para a biologia quântica nortearam as apresentações de Marcos César Oliveira (Unicamp), Guilherme Menegon (USP), Daniel Kattnig (Universidade de Exeter) e Pierre Fechine (UFC).

Sensoriamento quântico e abordagens tecnológicas

Os estudos apresentados na sessão de palestras da manhã do dia 22 foram conduzidos por abordagens tecnológicas do sensoriamento quântico. A pesquisadora Gabriela Lemos, professora-assistente do Instituto de Física da UFRJ e membro do corpo editorial do periódico Quantum Science and Technology (IOP Publishing), abordou os estados quânticos de luz e o sistema visual humano.

As conclusões da pesquisadora são de que os desenvolvimentos recentes de tecnologias de câmeras e fontes de fótons permitiram novos conceitos de imagem. Tudo isso pode ser útil para amostras de luz de intensidade extremamente baixa e quando o comprimento de onda está muito abaixo ou acima da faixa visível. Métodos análogos foram desenvolvidos, como imagem fantasma (uma técnica com dois detectores de luz, na qual o objeto e o sistema de imagem estão em caminhos ópticos separados), mas serão necessárias pesquisas futuras sobre resolução, relação sinal/ruído e sensibilidade para detectar quais serão as aplicações práticas de tais descobertas. Existe o potencial de combinar ideias desses novos métodos com outros já estabelecidos, como OCT (Exame de Tomografia de Coerência Óptica) e microscopia.

Interessada em pesquisar como a física quântica informa a biologia em nanoescala, a engenheira quântica Clarice Aiello abriu a conversa com as medições quânticas em “sensores vivos”. Ela compartilhou um pouco da sua experiência utilizando um sensor quântico magnético aprimorado com spins em um diamante (spin é a orientação que partículas subatômicas carregadas, como o próton e o elétron, podem apresentar quando imersas em um campo magnético). 

A pesquisadora espera mostrar como é possível aprender com a natureza a construir tecnologias melhores. A partir disso, ela fez um paralelo com sensores de corrente, de luz e de cheiro com mecanismos semelhantes encontrados em animais e no meio ambiente. Reações químicas sensíveis ao spin podem estar por trás de fenômenos biológicos relevantes. Ela citou estudos com evidências que mostram como campos magnéticos fracos alteram o crescimento mediado por células-tronco.

Se reações químicas dependem do spin e podem ser influenciadas por campos magnéticos, a biologia quântica pode ser o elo entre o desenvolvimento de dispositivos inovadores para fazer diagnósticos ou tratar patologias. Mas existe uma limitação tecnológica para lidar com spins in vivo, que precisa ser desenvolvida. Reflexões e questionamentos vieram à tona. A física quântica pode explicar fenômenos biológicos fisiologicamente relevantes e ser manipulada para vantagens tecnológicas e terapêuticas? 

Às falas de Gabriela e Clarice, se seguiram palestras de Daniel Felinto (UFPE), de ​Cristiano de Mello Gallep (Unicamp) e de Ado Jorio (UFMG). Daniel falou sobre o potencial dos sistemas biológicos se beneficiarem do emaranhamento quântico. Cristiano discorreu sobre os fenômenos quânticos da fotoluminescência na germinação. E Ado palestrou sobre a geração de fótons quânticos correlacionados em espectroscopia Raman.

Para fechar as sessões de palestras do Quantum Bio BR Summit, Francisco Laurindo (USP), Douglas Brash (Yale), Pedro Pascutti (UFRJ), Marcelo Sousa (Bright Photomedicine) e Pedro Alvarez (Instituto de Física Gleb Wataghin) falaram sobre temas relacionados a doenças, genética e metabolismo estudados sob o prisma da física quântica.

Paul Davies: O que é a vida?

Convidado para encerrar o evento, na noite do dia 22, o professor Paul Davies, da Universidade Estadual do Arizona, apresentou uma palestra inspirada na obra “O que é a Vida?”, escrita pelo físico Erwin Schrödinger, em 1944. Paul trouxe ao Summit sua expertise em pesquisas sobre a origem do universo e teoria quântica do campo. A conversa iniciou com uma provocação: será que é possível explicar a vida por meio dos conceitos da física? Ou é necessário criar uma nova física que seja capaz disso?

O pesquisador explicou que, no universo da biologia quântica, pode existir o plausível, como o exemplo do tunelamento de próton, caracterizado pelo desaparecimento de um próton em um espaço e sua reaparição em outro ponto; ou o especulativo, como a teoria de Roger Penrose, que explica que a consciência é um fenômeno quântico. Fato é que não existe uma métrica que diferencia se existe vida ou não – o que diferencia um espaço com muitas partículas de ter vida ou não? O público pôde visualizar o grande potencial a ser explorado pela biologia quântica quando o professor citou exemplos como a bioeletricidade, para tratar defeitos congênitos ou reparar tecidos, além de experiências no espaço, com pouca gravidade, e que afetam a manifestação de genes.

Destaques do Quantum Bio BR Summit

Sergio Ferreira também falou sobre iniciativas como a Quantum Vision, um projeto apoiado pela iniciativa Ciência Pioneira e que está sendo desenvolvido por pesquisadores da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e pelo IDOR. No estudo, encabeçado pelos pesquisadores Ado Jorio, Gabriela Lemos e Marcelo França, físicos e biofísicos da neurociência analisam os fundamentos limites da percepção visual.

As conexões formadas no encontro foram analisadas por pesquisadoras do Center for Educational Assessment da UCLA. O objetivo é mapear se as dinâmicas e interações foram produtivas e extrair informações para aperfeiçoar o evento nas próximas edições. Para Clarice, o resultado é animador: “O Quantum Bio Summit mostrou que existe interesse do público em biologia quântica, muitos foram expostos ao tema pela primeira vez. Além das pessoas estarem mais abertas, a comunidade científica constatou que existe um overlap no setor. É uma chamada para o Brasil entrar nesse campo o mais rápido possível e tomar a dianteira. Vale a pena continuar”.

Para Sergio, outros momentos de destaque foram os debates sobre sensores quânticos, equipamentos para detecção de fótons, radiação eletromagnética, magnetismo e outros parâmetros dependentes de fenômenos quânticos. “Existem várias técnicas de diagnósticos de imagem utilizando bioquímica para análises de laboratório. Mas não sabemos, por exemplo, se não seria possível ter diagnósticos mais precisos ou mais precoces usando ferramentas ainda desconhecidas que virão do uso de sensores quânticos.

Há 40 anos era inimaginável as pessoas terem acesso a exames de ressonância, que utilizam campo eletromagnético externo para mexer com os spins no corpo humano. Pode ser que, daqui a 30 anos, tenhamos outras formas de diagnóstico que permitam que um médico passe um sensor no paciente e descobrir o que ele tem, como vemos hoje em filmes de ficção científica”, diz. 

Uma questão levantada pelo neurocientista no encontro é a importância da biologia quântica permitir compreender fenômenos da natureza com maior profundidade. “A  biologia quântica permite compreender que a fotossíntese, a migração de animais, o funcionamento das mitocôndrias e outros processos têm elementos influenciados pela física em nanoescala. É uma motivação para quem trabalha com ciência entender como a natureza se articula de verdade”, conclui.

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