Vědecký průlom vede k „fluorescenčnímu biologickému qubit“ – mohlo by to znamenat přeměnu vašich buněk na kvantové senzory
Založené na proteinech Kvantové bity (Qubits) by mohl být klíčem k urychlení biologického výzkumu na nejmenším měřítku díky novému vědeckému průlomu.
Vědci z University of Chicago objevili způsob, jak proměnit fluorescenční protein na biologický qubit, který lze postavit přímo uvnitř buňky, a poté použít jako způsob detekce magnetických a elektrických signálů v buňce. Tento průlom byl podrobně popsán v příspěvku zveřejněném 20. srpna v časopise Příroda.
„Naše zjištění umožňují nejen nové způsoby pro kvantové snímání uvnitř živých systémů, ale také zavádějí radikálně odlišný přístup k navrhování kvantových materiálů,“ řekl Peter MaurerConcincipal vyšetřovatel a odborný asistent molekulárního inženýrství v Uchicago, v a prohlášení. „Konkrétně můžeme začít používat vlastní nástroje vývoje a sebestavení přírody k překonání některých zátarasů, kterým čelí současná kvantová technologie založená na spinu.“
Vývojem biologických qubitů, které mohou být nasazeny uvnitř buněk pomocí existujících proteinů již použitých v mikroskopii, tento výzkum obchází potřebu dodatečného do vybavení stávajících kvantových zařízení pro práci v biologických systémech. To by nakonec mohlo vést k kvantovým senzorům, které nepotřebují extrémní chlazení a izolaci, která je obvykle potřebná pro kvantovou technologii.
Fluorescenční nálezy
Fluorescenční proteiny, které lze nalézt v různých mořských organismech, absorbují světlo na jedné vlnové délce a vyzařují jej na jinou delší vlnovou délku; To je například to, co dává některým medúzy schopnost zářit. Jako takové jsou biologové používají k označení buněk prostřednictvím genetického kódování a při pojištění proteinů.
Vědci zjistili, že fluorofor v těchto proteinech, který umožňuje immitářství světla, lze použít jako qubits kvůli jejich schopnosti mít metastabilní triplet stav. To je místo, kde molekula absorbuje světlo a přechází do excitovaného stavu se dvěma ze svých nejvyšších energetických elektronů v paralelní rotaci. To trvá krátkou dobu před rozkladem. Z kvantového mechanického hlediska je molekula v superpozici více států najednou, dokud není přímo pozorována nebo narušena vnějším rušením.
Související: Drobné kryogenní zařízení řezá kvantové emise tepla počítače o 10 000krát – a mohlo by být spuštěno v roce 2026
Aby to využili, vědci vyvinuli zvyk Konfokální mikroskop -Optický systém, který obsahuje řadu čoček a zrcadel, který používá laserové světlo k produkci obrazů biologických vzorků s vysokým rozlišením-k opticky řešit stav roztočení zvýšeného žlutého fluorescenčního proteinu (EYFP) a používat jej jako qubit v purifikovaném proteinu, lidské ledvinové buňce a E.coli bakterie.
Laserový mikroskop zpočátku použil 488-nanometrový optický puls k indukci stavu spinu v EYFP. Blízkový infračervený laserový puls pak spustil odečet stavu tripletu s „až 20% spinovacím kontrastem“-což znamená, že vědci mohli vidět dostatečné rozdíly ve stavech spinu, aby protein použili jako funkční qubit.
Jakmile je rotace inicializována, vědci použili mikrovlny, aby udrželi rotaci v koherentní oscilaci mezi dvěma úrovněmi – tak se protein choval jako qubit po dobu asi 16 mikrosekund před rozpadem tripletu.
Biologický průlom
Pozorování, jak se elektrony pulzují z zasažení laserem znamená, že biologický qubit může být použit jako kvantový senzor a vyzvedne to, co se děje uvnitř buňky.
To by mohlo přinést nahlédnutí do biologických funkcí v nanočástice, jako je skládání proteinů, sledování biochemických reakcí v buňkách a monitorování, jak se léky vážou na cílové buňky a proteiny, uvedli ve studii vědci. Mohlo by to také vést k pokroku v lékařském zobrazování a včasné detekci cest nemocí.
Zatímco biologický qubit mohl otřást biologickým snímáním a otevřít nové způsoby, jak vytvořit kvantové senzory, stále existují překážky, které je třeba překonat.
Pro účinné manipulaci se stavem spin fluorescenčního proteinu muselo být udržováno při teplotách kapalného nitrogenu. A zatímco biologický qubit prokázal, že by mohl být použit efektivně ve složitém prostředí savčí buňky – ve významné části průlomu – je stále třeba ochladit na teplotu 175 Kelvin (–98,15 stupňů Celsia). Při teplotě místnosti tato technika stále funguje v bakteriálních buňkách, přičemž vědci opticky detekují magnetickou rezonanci, ale pouze s až 8% kontrastem a s rychlým vyčerpáním stavu EYFP.
Citlivost biologických kvantových senzorů také zaostává za senzory pevného stavu, jako jsou senzory vyrobené z defektů v diamantu. Takže stále existuje práce na stabilitě a citlivosti, než se biologické qubits a kvantové senzory v buňkách mohou stát praktickými nástroji pro použití v biologii a medicíně.
Jedná se však o průlom, který překročil fázi důkazu konceptu a kódování qubit přímo do buňky otevírá novou cestu pro kvantovou technologii, kde jsou hranice mezi kvantovou fyzikou a biologií rozmazané.
