Этот белок может быть использован для определения магнитных полей и температуры внутри отдельных клеток
Белок (на рисунке) можно использовать в качестве кубита, манипулируя вращением его флуорофора (светящейся сферы), части белка, которая флуоресцирует. Кубит может быть использован в качестве биологического квантового датчика для обнаружения магнитных полей и других эффектов внутри клеток.
Квантовые технологии могут показаться несовместимыми с жизнью. Квантовые биты, или кубиты, из которых они состоят, обычно требуют сверххолодных температур и основаны на твердых, упорядоченных материалах, таких как алмаз или кремний, которые чужды мягкому, влажному миру биологии. Но новый биологический кубит — выходец из этого беспорядочного царства.
Кубит, изготовленный из флуоресцентного белка, имеет диаметр всего 3 нанометра, сообщают ученые в журнале Nature 20 августа. Воздействуя на белок лазерным лучом, воздействуя на него микроволнами и наблюдая за его флуоресценцией, исследователи раскрыли его квантовую природу.
Если исследования увенчаются успехом, такие биологические кубиты можно будет использовать в качестве датчиков для проведения точных квантовых измерений условий внутри клеток, таких как магнитные поля и температура. Такие возможности могут, например, обеспечить новые виды медицинской визуализации.
Кубиты похожи на стандартные биты, используемые в вычислениях, в том смысле, что при измерении они имеют два возможных значения, как 0 и 1 в традиционных компьютерах. Но кубиты также могут существовать как 0, так и 1 одновременно, в так называемой квантовой суперпозиции, что дает им возможности, отличные от стандартных битов.
Вместо того чтобы встраивать традиционные кубиты в биологические системы, исследователям пришла в голову идея: “Возможно, вам следует вывернуть проблему наизнанку”, — говорит физик Дэвид Авшалом из Чикагского университета. Он и его коллеги перепрофилировали биологические инструменты, чтобы сформировать “квантовый бит, который с удовольствием разместился бы в другом биологическом объекте”.
Кубит состоит из фрагмента белка, называемого флуорофором — части, которая флуоресцирует при попадании света. Этот флуорофор обладает спином, квантовым свойством, которое заставляет его действовать подобно магниту, который может быть направлен вверх или вниз, или находиться в квантовой суперпозиции того и другого.
Исследователи продемонстрировали, что они могут манипулировать этим спином. Они произвели квантовый эффект, называемый колебаниями Раби, при котором система переключается между двумя спиновыми состояниями при воздействии электромагнитного излучения, что является отличительной чертой кубита.
Используя генную инженерию, исследователи произвели белок в клетках в лаборатории, продемонстрировав колебания Раби в клетках человека при температуре 175 Кельвинов (-98,15 градуса Цельсия) и в бактериях Escherichia coli при комнатной температуре.
Многие типы кубитов не будут функционировать при таких высоких температурах. Но структура белка выгодна: “Флуоресцентные белки в целом обладают тем преимуществом, что флуорофор … кубит закодирован в этой защитной оболочке”, — говорит соавтор исследования Питер Маурер, биофизик из Чикагского университета. Эта оболочка является ключом к устойчивости кубита к теплой погоде, защищая его от внешних воздействий.
“Это необычная и многообещающая демонстрация”, — говорит биофизик Романа Ширхагл из Университетского медицинского центра Гронингена в Нидерландах, которая не принимала участия в исследовании. Но, по ее словам, его потенциал еще предстоит доказать за пределами строго контролируемых лабораторий. “Предстоит еще многое сделать, чтобы он стал действительно полезным”. Ширхагл опасается, что белковые кубиты могут быть недостаточно яркими, чтобы выделяться в беспорядочном биологическом образце, или могут тускнеть при повторных лазерных облучениях.
Новая работа является частью недавних исследований в области квантового зондирования с использованием флуоресцентных белков. На протяжении десятилетий эти белки были ключевыми инструментами в биологических лабораториях, где их свечение может помочь визуализировать другие интересующие белки, обнаруживая объекты, такие как раковые клетки.
Теперь исследователи надеются добавить квантовое зондирование к этому надежному методу. “Это действительно позволяет нам использовать философию, аналогичную той, что была применена к флуоресцентным белкам в целом, и использовать ее по-новому”, — говорит физик Харрисон Стил из Оксфордского университета. Стил и его коллеги сообщили о схожей квантовой технике, основанной на другом флуоресцентном белке, в статье, опубликованной в 2024 году на сайте bioRxiv.org, которая в настоящее время проходит экспертную оценку.
Работа Стила и его коллег использует квантовое явление, называемое механизмом радикальной пары. Это похоже на эффект, который, как считается, позволяет некоторым птицам ощущать магнитное поле Земли, помогая им перемещаться на большие расстояния без компаса.
Квантовые эффекты традиционно считались слишком сложными для изучения в дебрях биологии. Но теперь появилась новая надежда вдохнуть жизнь в квантовую физику.