Квантовые состояния традиционно считаются хрупкими и нестабильными, особенно в условиях тёплой, хаотичной и биохимически активной среды живых организмов. Их высокая чувствительность к внешним воздействиям — это как преимущество, так и проблема: с одной стороны, они способны измерять физические параметры с беспрецедентной точностью, с другой — крайне чувствительны к шумам и легко теряют когерентность.
Именно поэтому создание квантовых сенсоров, способных работать в живых системах, долгое время оставалось сложной задачей. Предыдущие попытки внедрить синтетические квантовые датчики в биологические среды сталкивались с трудностями, связанными с доставкой, стабильностью, биосовместимостью и долговечностью.
Квантовые датчики от природы
Теперь команда учёных из Чикагского университета предложила принципиально новый подход: вместо того чтобы вводить искусственные квантовые системы в клетки, они заставили сами клетки производить квантовые сенсоры.
Исследователи перепрофилировали флуоресцентные белки, уже широко используемые в биологической визуализации (например, зелёный флуоресцентный белок, GFP), превратив их в функциональные квантовые датчики. Благодаря тому, что гены этих белков можно встроить в ДНК клетки, сенсоры производятся непосредственно в нужных локализациях — вплоть до отдельных субклеточных структур.
«Наши результаты не только открывают новые возможности для квантового зондирования внутри живых систем, но и предлагают радикально иной подход к проектированию квантовых материалов», — отметил доктор Питер Маурер из Чикагского университета, один из руководителей исследования.
«Теперь мы можем использовать собственные инструменты природы — эволюцию и самосборку, — чтобы преодолеть ключевые ограничения современных квантовых технологий, основанных на спиновых системах».
Как это работает?
Учёные обнаружили, что многие флуоресцентные белки естественным образом поддерживают триплетное состояние — квантовое состояние, которое может быть использовано как кубит для хранения и обработки квантовой информации. Важно то, что это состояние можно инициировать и считывать оптически с помощью специализированного микроскопа.
Такие биологические кубиты способны реагировать на изменения магнитных и электрических полей, температуры и других физических параметров внутри клетки. Это делает их перспективными для изучения процессов на наноуровне — например, активности ионных каналов, динамики белков или метаболических изменений.
Что дальше?
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Учёные подчёркивают, что хотя работа находится на ранней стадии, она открывает путь к созданию биологически интегрированных квантовых устройств, способных работать в реальном времени внутри живых организмов.
В перспективе такие сенсоры могут:
- Позволить проводить МРТ на уровне отдельных клеток,
- Служить инструментом для высокоточной диагностики заболеваний,
- Ускорить разработку лекарств, позволяя отслеживать их действие на молекулярном уровне.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
