Fenômeno óptico quântico no cérebro desafia visão convencional da amiloide no Alzheimer

Um efeito quântico único na biologia pode ser a chave para entender um marcador comum do Alzheimer, levantando questões sobre as suposições atuais sobre a doença e informando a busca por uma cura.

Fibrilas amiloides são estruturas proteicas fibrosas no cérebro que estão associadas à doença de Alzheimer e à demência, entre outros distúrbios neurodegenerativos. Elas são frequentemente o alvo canônico para tratamentos experimentais para essas doenças — geralmente na forma de medicamentos que buscam reduzir a quantidade de amiloides ou impedir que mais se formem.

Mas muitas pessoas que testam positivo para quantidades significativas de amiloide não desenvolvem demência, e até agora, os regimes de tratamento que têm como alvo o amiloide não tiveram sucesso. Outro indicador conhecido do Alzheimer é a chamada carga alostática, um termo geral para a carga cumulativa de desgaste crônico no corpo. Quanto mais estresse oxidativo, maior a carga e maior o risco de demência.

Anteriormente, um grupo de pesquisadores descobriu que um certo efeito quântico — superradiância de fóton único — poderia sobreviver ao ambiente turbulento do corpo humano em redes do aminoácido triptofano e poderia potencialmente mitigar o estresse oxidativo no corpo.

Agora, o grupo, liderado pelo Dr. Philip Kurian, pesquisador principal e diretor fundador do Laboratório de Biologia Quântica da Universidade Howard, em Washington, DC, estabeleceu que essas redes de triptofano têm uma capacidade ainda maior de aproveitar os efeitos superradiantes nas fibrilas amiloides do que nas estruturas que estudaram anteriormente.

O resultado, publicado em Fronteiras da Físicatem implicações importantes para o papel do amiloide na doença de Alzheimer.

“Nossa confirmação experimental anterior de superradiância de fóton único em fibras de proteína nos encorajou a examinar outras arquiteturas neurobiológicas, incluindo fibrilas amiloides”, disse Kurian.

“Embora o aumento superradiante do rendimento quântico que vimos anteriormente tenha sido modesto, embora detectável, nosso aumento superradiante previsto para fibrilas amiloides é enorme, até cinco vezes o rendimento quântico de uma molécula individual de triptofano. Esta descoberta tem o potencial de transformar os tratamentos disponíveis para demência e revolucionar nossa compreensão do processamento de informações em toda a teia da vida.”

O estresse oxidativo, um fator contribuinte ligado ao Alzheimer, ocorre quando o corpo produz um grande número de radicais livres, que podem emitir fótons UV prejudiciais e de alta energia. A superradiância de fóton único é um fenômeno quântico em que uma rede coletiva de moléculas pode absorver com muita eficiência essas partículas de luz de alta energia e reemiti-las em uma energia mais baixa e segura.

Como muitas fibrilas amiloides têm uma densidade muito alta de triptofanos dispostos em múltiplas hélices, sua capacidade de absorver fótons prejudiciais e converter a energia — fotoproteção — é muito mais forte do que qualquer um suspeitava antes.

Isso pode sugerir que a amiloide, em vez de ser uma causa do Alzheimer, é na verdade uma resposta adaptativa do corpo a um ambiente estressante que é inundado com uma proporção maior de fótons UV de radicais livres.

“O grupo Kurian fez uma contribuição científica notável ao elucidar o papel potencial das fibrilas amiloides na mitigação do estresse oxidativo e dos danos fotofísicos”, disse o professor Lon Schneider, diretor do Centro de Alzheimer da USC Califórnia, que não estava envolvido na pesquisa.

“Este trabalho tem implicações profundas para a compreensão da fisiopatologia da doença de Alzheimer, pois os pesquisadores geralmente trabalham sob a suposição de que o amiloide deve ser o alvo adequado para o tratamento. Ao contrário, o trabalho de Kurian sugere que, em vez de uma causa da doença, a agregação amiloide e a formação de fibrilas são uma resposta protetora.”

O próximo passo é validar essa previsão experimentalmente, mas Kurian também quer que colegas em biologia e neurociência comecem a pensar mais amplamente sobre como as perspectivas quânticas são uma parte essencial das ciências biológicas.

“Queremos ajudar outros a ver que as interações da luz e da matéria quântica têm relevância significativa para todos os sistemas vivos”, disse ele.

O primeiro autor do artigo, o Sr. Hamza Patwa, é bolsista Barry Goldwater de 2024 e estagiário sênior de graduação no Laboratório de Biologia Quântica.

“Para mim”, ele disse, “este trabalho representa o que a verdadeira ciência deve ser. Para dar tal salto cognitivo, é preciso ser versado em várias disciplinas diferentes: sistemas quânticos abertos, biologia computacional e fotofísica. Ele me ensinou que a ciência nem sempre precisa ser separada em categorias mutuamente exclusivas.

“Quando tentamos usar ferramentas de quaisquer subcampos necessários para resolver um problema, é aí que o incrível poder explicativo da ciência é revelado.”