Tutkijat ohjelmoivat soluja luomaan biologisen kubitin

Tutkijat ovat suunnitelleet proteiinikubitteja, joita solut voivat tuottaa luonnollisesti, mikä avaa mahdollisuuksia kudosten, yksittäisten solujen tai jopa yksittäisten molekyylien tarkkoihin mittauksiin.

Ensi silmäyksellä biologia ja kvanttiteknologia vaikuttavat yhteensopimattomilta. Elävät järjestelmät toimivat lämpimissä, meluisissa ja jatkuvassa liikkeessä olevissa ympäristöissä, kun taas kvanttiteknologia vaatii tyypillisesti äärimmäistä eristystä ja absoluuttisen nollapisteen lähellä olevia lämpötiloja toimiakseen.

Mutta kvanttimekaniikka on kaiken perusta, myös biologisissa molekyyleissä. Chicagon yliopiston Pritzker School of Molecular Engineeringin tutkijat ovat tehneet ensimmäisen laatuaan olevan läpimurron muuttamalla elävissä soluissa esiintyvän proteiinin toimivaksi kvanttibitiksi eli kubitiksi. Proteiinikubittia voidaan käyttää kvanttianturina, joka kykenee havaitsemaan pieniä muutoksia ja tarjoamaan lopulta ennennäkemätöntä tietoa biologisista prosesseista.

”Sen sijaan, että olisimme ottaneet perinteisen kvanttisensorin ja yrittäneet sovittaa sitä biologiseen järjestelmään, halusimme tutkia ajatusta biologisen järjestelmän käyttämisestä ja sen kehittämisestä kubitiksi”, sanoo David Awschalom, projektin toinen vetäjä. ”Luonnon valjastaminen tehokkaiden kvanttisensoriperheiden luomiseksi – siinä on uusi suunta.”

Toisin kuin keinotekoisesti valmistetut nanomateriaalit, solut voivat rakentaa proteiini-kubitteja suoraan, sijoittautua atomitason tarkkuudella ja havaita signaaleja, jotka ovat tuhansia kertoja voimakkaampia kuin nykyiset kvanttianturit. Tulevaisuudessa nämä proteiini-kubitit voisivat mullistaa kvanttipohjaisen nanomittakaavan magneettikuvauksen, paljastaa solukoneiston atomirakenteen ja mullistaa tapamme suorittaa biologista tutkimusta. Biologian lisäksi proteiini-kubitit voisivat myös avata uusia mahdollisuuksia itse kvanttiteknologian kehittämiselle.

”Löydöksemme eivät ainoastaan ​​mahdollista uusia tapoja kvanttiantureille elävissä järjestelmissä, vaan ne myös esittelevät radikaalisti erilaisen lähestymistavan kvanttimateriaalien suunnitteluun”, sanoo Peter Maurer, tutkimuksen toinen vetäjä. ”Erityisesti voimme nyt alkaa käyttää luonnon omia evoluution ja itsejärjestäytymisen työkaluja voittaaksemme joitakin nykyisen spin-pohjaisen kvanttiteknologian kohtaamia esteitä.”

Tässä tutkimuksessa käytetyn kaltaiset geneettisesti koodatut fluoresoivat proteiinit ovat jo käytössä solun sisällä tapahtuvia prosesseja tutkittaessa.

”Tämä on todella jännittävä muutos”, sanoi tutkimuksen toinen kirjoittaja Benjamin Soloway. ”Fluoresenssimikroskopian avulla tiedemiehet voivat nähdä biologisia prosesseja, mutta heidän on pääteltävä, mitä nanoskaalassa tapahtuu. Nyt voimme ensimmäistä kertaa mitata kvanttiominaisuuksia suoraan elävien järjestelmien sisällä.”

Uudet proteiinipohjaiset kubitit eivät vielä kilpaile nykyisten parhaiden kvanttisensoreiden herkkyyden kanssa, jotka yleensä valmistetaan timantin virheistä. Mutta koska ne voidaan koodata geneettisesti eläviin järjestelmiin, ne lupaavat jotain paljon radikaalimpaa: kyvyn tarkkailla biologian kehittymistä kvanttitasolla, proteiinien laskostumisesta ja entsyymien toiminnasta aina sairauksien varhaisimpiin merkkeihin asti.

Aiheesta aiemmin:

Askel biologian ja mikroelektroniikan integroinnille