Флуоресцентные белки с квантовыми свойствами способны открыть беспрецедентные возможности для изучения внутренней структуры клеток
Медузы-кристаллы обладают таинственной красотой: благодаря особому белку они излучают слабое зелёное свечение. На протяжении десятилетий исследователи использовали этот зелёный флуоресцентный белок и подобные молекулы, чтобы «осветить» область биологии, отслеживая процессы, происходящие внутри клеток.
Теперь эти широко применяемые инструменты обретают новую жизнь: их квантовые свойства используются для того, чтобы превратить их в подобие фундаментальных элементов квантовых вычислений. «Эти флуоресцентные белки, которые все используют в качестве флуоресцентных меток, на самом деле можно превратить в кубиты», — говорит Питер Маурер, инженер-квантовик из Чикагского университета в Иллинойсе. Эта идея «звучит как научная фантастика», — признаёт Маурер. Но физика здесь не нова, и уже доказано, что этот подход в принципе работает.
Маркеры на основе флуоресцентных белков сегодня являются одним из важнейших инструментов в биологических лабораториях по всему миру. Они могут отслеживать расположение и активность белков, определять условия внутри клетки, проверять, нацелены ли потенциальные лекарства на нужные участки, и выполнять множество других задач. По словам исследователей, добавление квантового компонента открывает новые, захватывающие перспективы.
Квантовые датчики способны регистрировать магнитные поля и обладают исключительной чувствительностью, поэтому их белковые версии, возможно, смогут улавливать слабые сигналы, генерируемые активирующимися нейронами или потоками ионов, либо обнаруживать крошечные количества свободных радикалов, которые свидетельствуют о клеточном стрессе или служат ранними признаками рака. Кроме того, исследователи могут дистанционно включать и выключать эти белковые квантовые датчики, что делает их полезными инструментами для новых технологий визуализации и методов лечения.
Белковые метки продолжают удивлять исследователей своими новыми возможностями, говорит Цзинь Чжан, которая занимается разработкой биосенсоров в Калифорнийском университете в Сан-Диего (UCSD). «Мы часто сталкиваемся с проблемами чувствительности флуоресцентных меток», — поясняет она, поэтому её интригует, какие пока ещё невообразимые научные открытия могут принести квантовые варианты. «Я всё ещё пытаюсь представить себе новые области применения, которые они могут открыть».
Эти эксперименты — часть обширной области изучения квантовых датчиков для биологических применений, которая, по мнению наблюдателей, находится на пике популярности и быстро развивается. Хотя разработка белковых квантовых датчиков находится на ранней стадии, исследователи, занимающиеся этой работой, говорят, что на их пути почти нет препятствий: некоторые из белков, которые можно использовать таким образом, уже доступны в продаже, а оборудование для работы с ними является стандартным.
«Раньше про это могли сказать что-то вроде: “Ах, это, скорее всего, никогда не сработает”, — говорит Ания Джейич, физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, которая занимается другими типами квантовых датчиков. — Но теперь это уже не так».
«Бриллианты навсегда»?
В настоящее время квантовая физика переживает вторую революцию. Во время первой, в начале 1900-х годов, физики начали раскрывать причудливые свойства квантового мира, такие как суперпозиция, при которой объект существует одновременно в нескольких состояниях, и запутанность, при которой квантовые состояния таинственным образом связываются между собой. Сейчас, во время второй революции, исследователи намеренно манипулируют отдельными квантовыми свойствами, чтобы открыть путь к информационно-насыщенным, высокоточным приложениям в вычислениях, коммуникациях и сенсорике.
Для квантовых вычислений нужны кубиты — базовые единицы квантовой информации, — которые не подвержены воздействию окружающего мира. Квантовая сенсорика, напротив, опирается на кубиты, на которые влияют внешние факторы, причём это влияние имеет конкретные формы, поддающиеся измерению. Магнитно-резонансная томография (МРТ), например, создаёт изображение путём манипулирования и измерения квантового свойства, известного как спин, в ядрах водорода в организме.
Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (SQUID) используются для обнаружения магнитных полей в во время сканирования с помощью магнитоэнцефалографии в больницах.
Одним из наиболее широко используемых на сегодняшний день квантовых датчиков является азото-замещённая вакансия в алмазе, или «NV-центр» — дефект в кристалле алмаза, в котором один атом углерода заменён атомом азота (N), а соседний атом углерода отсутствует, образуя вакансию (V). Спиновыми состояниями электронов в этом центре можно манипулировать с помощью микроволн и лазеров, так что магнитные поля, температура и другие факторы окружающей среды влияют на свет, излучаемый электронами, точным и довольно понятным образом. Эти датчики чрезвычайно чувствительны, универсальны и стабильны даже при комнатной температуре — в отличие от многих кубитных систем, которым требуется экстремальный холод. Сегодня пластины алмазов с NV-центрами или наноразмерные кристаллы используются в лабораториях и в некоторых коммерческих продуктах, в основном в физических науках — например, для картирования характеристик полупроводников.
По сравнению с этим, разработка приложений в области бионаук оказалась более сложной задачей, поскольку живые системы «тёплые и беспорядочные», — отмечает Джейич, чья лаборатория специализируется на алмазах с NV-центрами.
Однако эта область набирает обороты. Например, она входит в число нескольких приоритетных направлений Чикагского института квантовых технологий при Чикагском университете и в 2023 году получила дополнительное финансирование от Национального научного фонда США. И это единственная область, на которой сосредоточен Британский исследовательский центр квантового биомедицинского зондирования, открытый в декабре 2024 года. «Мы живём в захватывающем периоде развития квантовых технологий, когда многие лабораторные демонстрации достигают того этапа, когда они готовы к практическому применению», — говорит физик Джон Мортон из Университетского колледжа Лондона, который является содиректором исследовательского центра.
Исследовательские группы изучают, например, как использовать алмазы с NV-центрами для проведения наномасштабной МРТ или для улучшения инструментов, используемых для отслеживания магнитных маркеров во время хирургических операций. А путём модификации внешней поверхности кристаллов алмаза, чтобы они связывались с определёнными молекулами в образцах плазмы крови, исследователи разработали экспериментальные тесты на ВИЧ, которые в 100 000 раз чувствительнее стандартных диагностических средств.
Многие исследователи экспериментируют с размещением алмазных квантовых датчиков внутри клеток. Маурер говорит, что около половины его лаборатории изучает новые способы использования алмазов с NV-центрами и будет продолжать эту работу.
Однако алмазные датчики на основе азота имеют свои ограничения: они, как правило, громоздки, примерно в десять раз превосходят по размеру белок, и их сложно разместить именно там, где это необходимо. Флуоресцентные белки, напротив, имеют небольшие размеры и с помощью методов генной инженерии могут быть созданы непосредственно в тех местах внутри клеток, где они нужны, что позволяет разместить их вплотную к объекту, который исследователи желают изучить. «Преимущества, которые это даёт, огромны», — заключает Джейич.
Автор: SLY_G
