Квантовая биология: учёные создали первый в мире квантовый бит внутри живой клетки

Белковые квантовые биты (кубиты) могут стать ключом к ускорению биологических исследований в мельчайших масштабах благодаря новому научному прорыву. Исследователи из Чикагского университета обнаружили способ превратить флуоресцентный белок в биологический кубит, который можно встроить непосредственно внутрь живой клетки и использовать для детекции магнитных и электрических сигналов в её пределах. Это открытие было подробно описано в статье, опубликованной 20 августа в журнале Nature.

«Наши результаты не только открывают новые пути для квантового зондирования в живых системах, но и предлагают принципиально иной подход к проектированию квантовых материалов, — заявил со-руководитель исследования Питер Маурер, доцент молекулярной инженерии. — Теперь мы можем использовать собственные инструменты природы — эволюцию и самосборку — чтобы преодолеть некоторые тупики, с которыми сталкиваются современные спиновые квантовые технологии».

Разработав биологические кубиты, которые можно внедрять в клетки с помощью уже существующих белков, используемых в микроскопии, это исследование обходит необходимость адаптации громоздких квантовых устройств для работы в биологических системах. В перспективе это может привести к созданию квантовых сенсоров, не требующих экстремального охлаждения и изоляции, характерных для традиционных квантовых технологий.

Флуоресцентный прорыв

Флуоресцентные белки, встречающиеся у различных морских организмов, поглощают свет на одной длине волны и излучают его на другой, более длинной (именно это придает некоторым медузам способность светиться). Биологи активно используют их для маркировки клеток с помощью генетического кодирования.

Исследователи обнаружили, что флуорофор в этих белках, ответственный за свечение, можно использовать в качестве кубита благодаря его способности переходить в метастабильное триплетное состояние. В этом состоянии молекула поглощает свет и переходит в возбужденное состояние, при котором два её электрона с высшей энергией имеют параллельные спины. Это состояние длится недолго перед распадом. С точки зрения квантовой механики, молекула находится в суперпозиции нескольких состояний одновременно, пока на неё не воздействуют извне.

Чтобы использовать это свойство, учёные разработали специальный конфокальный микроскоп — оптическую систему с набором линз и зеркал, использующую лазер для получения высокодетализированных изображений биологических образцов. С его помощью они смогли оптически управлять спиновым состоянием улучшенного жёлтого флуоресцентного белка (EYFP) и использовать его в качестве кубита в очищенном белке, клетке человеческой почки и бактерии E.coli.

Лазер микроскопа сначала использовал оптический импульс длиной 488 нанометров для создания спинового состояния в EYFP. Затем импульс ближнего инфракрасного лазера запускал считывание триплетного спинового состояния с «контрастом до 20%» — этого было достаточно, чтобы различить спиновые состояния и использовать белок в качестве рабочего кубита.

После инициализации спина исследователи использовали микроволны для поддержания когерентных колебаний между двумя уровнями. В результате белок вел себя как кубит в течение примерно 16 микросекунд до распада триплетного состояния.

Биологическое значение и перспективы

Наблюдение за тем, как электроны реагируют на лазерный импульс, позволяет использовать биологический кубит в качестве квантового сенсора, «ощущающего» происходящее внутри клетки. Это может дать уникальное понимание биологических функций в наномасштабе: процесса сворачивания белков, отслеживания биохимических реакций и наблюдения за тем, как лекарственные средства связываются с клетками-мишенями. В перспективе это открывает путь к революции в медицинской визуализации и сверхранней диагностике заболеваний.

Несмотря на прорывной характер работы, перед внедрением технологии предстоит преодолеть серьёзные препятствия. Для эффективного управления спиновым состоянием белок необходимо было охлаждать до температур жидкого азота. Хотя кубит успешно работал в сложной среде клетки млекопитающего (что уже является огромным достижением), требовалось охлаждение до 175 кельвинов (–98 °C). При комнатной температуре в бактериальных клетках метод всё ещё функционировал, но контраст сигнала падал до 8%, а спиновое состояние быстро разрушалось.

Чувствительность новых биологических сенсоров также пока уступает твердотельным аналогам, например, созданным на основе дефектов в алмазе. Таким образом, необходима серьёзная работа по повышению стабильности и чувствительности биокубитов, прежде чем они станут практическим инструментом в биологии и медицине.

Тем не менее, это исследование вышло далеко за рамки простого доказательства концепции. Сам факт кодирования кубита непосредственно в живой клетке стирает границы между квантовой физикой и биологией, открывая новую эру квантовой биологии. В будущем мы можем увидеть, как подобные «клеточные шпионы» позволят в реальном времени наблюдать за работой нейронов, раскрывать механизмы старения на молекулярном уровне или создавать принципиально новые методы целевой доставки лекарств, основанные на квантовом контроле. Это первый, но уверенный шаг к созданию истинного симбиоза квантовых технологий и живых систем.