Новое открытие превращает наши клетки в квантовые датчики
Ученые превратили флуоресцентный белок в биологический квантовый бит (кубит), который можно создавать прямо внутри живой клетки. Это открытие может стать настоящей революцией в изучении биологических процессов в самых малых масштабах.
Светлана ЛевченкоАвтор новостей
До сих пор квантовые технологии в основном опирались на искусственные системы — кристаллы или сверхпроводники, для работы которых нужны экстремально низкие температуры и надежная защита от внешних воздействий. Новая работа специалистов из Университета Чикаго может стать основой для создания квантовых сенсоров из природных материалов, которые будут работать прямо в живых клетках.
«Теперь мы можем использовать инструменты самой природы — эволюцию и способность к самоорганизации — чтобы двигаться дальше там, где современные квантовые технологии сталкиваются с ограничениями», — объясняет один из авторов исследования Петер Маурер.
В работе использовались флуоресцентные белки, которые встречаются у различных морских организмов, поглощают свет на одной длине волны и излучают его на другой — именно благодаря этому некоторые медузы способны светиться. Биологи уже давно используют эти белки для маркировки клеток, но теперь ученые нашли для них совершенно новое применение. Оказалось, что светящийся элемент таких белков, флуорофор, может переходить в особое, метастабильное триплетное состояние. В этом состоянии молекула поглощает свет и переходит в возбужденное состояние, где два ее электрона с наивысшей энергией имеют параллельные спины, то есть белок по сути ведет себя как квантовый объект. Это состояние длится короткое время, но его достаточно для использования молекулы в качестве живого кубита.
Чтобы задействовать это свойство, ученые сконструировали специальный конфокальный микроскоп, который использует лазерный свет для управления спиновым состоянием усиленного желтого флуоресцентного белка (EYFP). Вначале они переводили белок в квантовое состояние световым импульсом, а затем считывали его отклик с помощью инфракрасного излучения. В опытах удалось добиться «контраста спина» до 20%, что достаточно для уверенной фиксации квантового сигнала. В дальнейшем микроволновыми импульсами это состояние поддерживалось около 16 микросекунд — это вечность по меркам квантовой механики. Таким образом EYFP успешно использовали его как кубит в очищенном белке, клетках почек человека и бактериях E.coli.
На практике это означает, что такой биологический кубит может служить сенсором, позволяя «заглядывать» в жизнь клетки на наномасштабе. Это открывает перспективы для отслеживания процессов свертывания белков, наблюдения за химическими реакциями и даже контроля того, как лекарство связывается с мишенью. В будущем такая технология может применяться для высокоточной диагностики и лечения многих болезней.
Пока что у метода есть ограничения: белок все равно нужно охлаждать до температуры жидкого азота, а его чувствительность несколько уступает твердотельным квантовым сенсорам, например, на базе алмазов. Но главная цель достигнута — стало понятно, что кубит можно встраивать прямо в биологическую систему, и это открывает перед нами совершенно новое направление науки, в котором стираются границы между физикой и биологией.
Ранее ученые нашли способ уловить квантовое тепло из вакуума.
Поделиться
