Ученые преобразовали флуоресцентный белок в биологический квантовый бит (кубит), который можно создавать непосредственно внутри живой клетки. Это открытие имеет потенциал для революционных изменений в изучении биологических процессов на микроуровне.
Квантовые технологии до сих пор в основном опирались на искусственные системы — кристаллы или сверхпроводники, требующие крайне низких температур и надежной защиты от внешних факторов. Новое исследование специалистов из Университета Чикаго может стать основой для разработки квантовых сенсоров из естественных материалов, способных функционировать прямо в живых клетках.
«Теперь мы можем воспользоваться инструментами самой природы — эволюцией и самоорганизацией — чтобы двигаться дальше там, где существующие квантовые технологии сталкиваются с ограничениями», — поясняет один из авторов исследования Петер Маурер.
В ходе работы 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 давно применяют эти белки для маркировки клеток, но теперь ученые обнаружили для них совершенно новое использование. 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 краткое время, но его достаточно для использования молекулы в качестве живого кубита.
Для активации этого свойства ученые разработали специальный конфокальный микроскоп, использующий лазерный свет для управления спиновым состоянием усиленного желтого флуоресцентного белка (EYFP). Сначала они переводили белок в квантовое состояние с помощью светового импульса, а затем считывали его отклик с использованием инфракрасного излучения. В экспериментах удалось достичь «контраста спина» до 20%, что достаточно для надежной фиксации квантового сигнала. В дальнейшем с помощью микроволновых импульсов это состояние поддерживалось около 16 микросекунд — это значительное время для квантовой механики. Таким образом, EYFP успешно использовали как кубит в очищенном белке, клетках почек человека и бактериях E.coli.
На практике это означает, что такой биологический кубит может функционировать как сенсор, позволяя «заглядывать» в жизнь клетки на наномасштабе. Это открывает новые возможности для отслеживания процессов свертывания белков, наблюдения за химическими реакциями и даже контроля взаимодействия лекарств с мишенью. В будущем такая технология может быть использована для высокоточной диагностики и лечения множества заболеваний.
Пока что у метода имеются ограничения: белок все равно необходимо охлаждать до температуры жидкого азота, а его чувствительность несколько ниже, чем у твердотельных квантовых сенсоров, например, на основе алмазов. Но главная цель достигнута — стало ясно, что кубит можно интегрировать прямо в биологическую систему, что открывает совершенно новые горизонты науки, размывающие границы между физикой и биологией.
Фото: hi-tech.mail.ru