«Квантовые белки» могут стать новым большим направлением в биологии - Nature
Такие белки потенциально смогут улавливать очень слабые магнитные сигналы, движение ионов, следы клеточного стресса и другие процессы, которые сегодня трудно увидеть напрямую.
Источник: Ollie Hirst.
МОСКВА, 4 марта. /Новости науки/. Исследователи считают, что флуоресцентные белки, которые уже много лет помогают биологам наблюдать за процессами внутри клеток, в будущем могут получить «квантовое обновление» и превратиться в сверхчувствительные сенсоры нового поколения.
Такие белки потенциально смогут улавливать очень слабые магнитные сигналы, движение ионов, следы клеточного стресса и другие процессы, которые сегодня трудно увидеть напрямую, пишет журнал Nature.
Речь идет о хорошо известных флуоресцентных белках, подобных зеленому флуоресцентному белку медузы, которые давно используются в биологии как светящиеся метки. С их помощью ученые отслеживают, где в клетке находятся те или иные молекулы, как работают белки, достигают ли лекарства нужной цели и как меняется состояние клетки.
Теперь исследователи пытаются использовать не только их свечение, но и квантовые свойства.
Как поясняют авторы материала, некоторые такие белки можно в принципе превратить в аналог кубита — базового элемента квантовых технологий. В отличие от квантовых компьютеров, где кубиты должны быть как можно лучше изолированы от внешней среды, в квантовых сенсорах важна как раз обратная ситуация: они должны тонко реагировать на изменения вокруг.
Благодаря этому белковые квантовые сенсоры потенциально можно будет применять для сверхточных измерений в живых клетках.
По мнению ученых, особенно интересна возможность регистрировать очень слабые магнитные поля. В перспективе это может помочь наблюдать, например, сигналы активирующихся нейронов, потоки ионов или крошечные количества свободных радикалов, которые могут указывать на клеточный стресс или ранние признаки опухолевых процессов.
Кроме того, такие сенсоры можно дистанционно включать и выключать, что делает их перспективными и для новых методов визуализации, и для будущих терапевтических технологий.
Сейчас одним из самых известных квантовых сенсоров считаются так называемые NV-центры в алмазе — дефекты кристаллической решетки, в которых квантовые состояния электронов можно контролировать с помощью лазеров и микроволн. Такие сенсоры очень чувствительны и уже применяются в науке и некоторых технологиях.
Однако для биологии у них есть серьезные ограничения: они заметно крупнее белков, их трудно точно разместить в нужной точке клетки, а работа с живыми системами вообще остается сложной задачей.
На этом фоне флуоресцентные белки выглядят особенно привлекательно. Они малы, их можно получать прямо внутри клетки с помощью методов генной инженерии и размещать именно там, где ученым нужно вести наблюдение. Это дает важное преимущество по сравнению с алмазными сенсорами, особенно если речь идет о сложной внутренней структуре живой клетки.
Одним из главных кандидатов на роль такого «квантового белка» стал усиленный желтый флуоресцентный белок EYFP. Исследователи обратили внимание, что его энергетическая структура во многом похожа на системы, которые уже используются в квантовых технологиях.
В обычных условиях такие белки светятся, когда их электроны возбуждаются лазером, а затем возвращаются в исходное состояние. Но небольшую часть времени электроны переходят в так называемое триплетное состояние — особое, нефлуоресцентное состояние, из-за которого белок тускнеет или «мигает».
Раньше это считалось скорее недостатком, потому что такое поведение ухудшало яркость метки. Однако именно триплетное состояние оказалось полезным для квантовой физики: оно позволяет создать когерентную суперпозицию спинов, а значит, использовать белок как потенциальный квантовый сенсор. По сути, то, что раньше мешало биологам, теперь может стать основой новой технологии.
Команда ученых уже показала, что EYFP можно перевести в нужное квантовое состояние с помощью лазерного света и микроволн. После этого выяснилось, что интенсивность его свечения меняется под действием магнитного поля примерно на 30%. Исследователи также продемонстрировали, что такой сенсор способен работать в живых бактериальных клетках при комнатной температуре.
При этом до практического применения еще далеко. Одна из основных проблем заключается в том, что флуоресцентные белки достаточно хрупкие и со временем разрушаются под действием света. Кроме того, ученым еще предстоит повысить их чувствительность.
Для этого планируется создавать новые варианты белков, которые будут дольше находиться в нужном триплетном состоянии. Исследователи также хотят проверить, можно ли использовать такие белки для надежного измерения не только магнитных полей, но и других параметров — например, кислотности среды или температуры.
По мнению специалистов, если эти задачи удастся решить, квантовые белки могут стать важным новым инструментом биологии и медицины. В перспективе они способны помочь преодолеть одно из главных ограничений современных светящихся меток — недостаточную чувствительность — и дать ученым возможность наблюдать процессы внутри клетки с точностью, которая до сих пор была недоступна.
Такие белки потенциально смогут улавливать очень слабые магнитные сигналы, движение ионов, следы клеточного стресса и другие процессы, которые сегодня трудно увидеть напрямую, пишет журнал Nature.
Речь идет о хорошо известных флуоресцентных белках, подобных зеленому флуоресцентному белку медузы, которые давно используются в биологии как светящиеся метки. С их помощью ученые отслеживают, где в клетке находятся те или иные молекулы, как работают белки, достигают ли лекарства нужной цели и как меняется состояние клетки.
Теперь исследователи пытаются использовать не только их свечение, но и квантовые свойства.
Как поясняют авторы материала, некоторые такие белки можно в принципе превратить в аналог кубита — базового элемента квантовых технологий. В отличие от квантовых компьютеров, где кубиты должны быть как можно лучше изолированы от внешней среды, в квантовых сенсорах важна как раз обратная ситуация: они должны тонко реагировать на изменения вокруг.
Благодаря этому белковые квантовые сенсоры потенциально можно будет применять для сверхточных измерений в живых клетках.
По мнению ученых, особенно интересна возможность регистрировать очень слабые магнитные поля. В перспективе это может помочь наблюдать, например, сигналы активирующихся нейронов, потоки ионов или крошечные количества свободных радикалов, которые могут указывать на клеточный стресс или ранние признаки опухолевых процессов.
Кроме того, такие сенсоры можно дистанционно включать и выключать, что делает их перспективными и для новых методов визуализации, и для будущих терапевтических технологий.
Сейчас одним из самых известных квантовых сенсоров считаются так называемые NV-центры в алмазе — дефекты кристаллической решетки, в которых квантовые состояния электронов можно контролировать с помощью лазеров и микроволн. Такие сенсоры очень чувствительны и уже применяются в науке и некоторых технологиях.
Однако для биологии у них есть серьезные ограничения: они заметно крупнее белков, их трудно точно разместить в нужной точке клетки, а работа с живыми системами вообще остается сложной задачей.
На этом фоне флуоресцентные белки выглядят особенно привлекательно. Они малы, их можно получать прямо внутри клетки с помощью методов генной инженерии и размещать именно там, где ученым нужно вести наблюдение. Это дает важное преимущество по сравнению с алмазными сенсорами, особенно если речь идет о сложной внутренней структуре живой клетки.
Одним из главных кандидатов на роль такого «квантового белка» стал усиленный желтый флуоресцентный белок EYFP. Исследователи обратили внимание, что его энергетическая структура во многом похожа на системы, которые уже используются в квантовых технологиях.
В обычных условиях такие белки светятся, когда их электроны возбуждаются лазером, а затем возвращаются в исходное состояние. Но небольшую часть времени электроны переходят в так называемое триплетное состояние — особое, нефлуоресцентное состояние, из-за которого белок тускнеет или «мигает».
Раньше это считалось скорее недостатком, потому что такое поведение ухудшало яркость метки. Однако именно триплетное состояние оказалось полезным для квантовой физики: оно позволяет создать когерентную суперпозицию спинов, а значит, использовать белок как потенциальный квантовый сенсор. По сути, то, что раньше мешало биологам, теперь может стать основой новой технологии.
Команда ученых уже показала, что EYFP можно перевести в нужное квантовое состояние с помощью лазерного света и микроволн. После этого выяснилось, что интенсивность его свечения меняется под действием магнитного поля примерно на 30%. Исследователи также продемонстрировали, что такой сенсор способен работать в живых бактериальных клетках при комнатной температуре.
При этом до практического применения еще далеко. Одна из основных проблем заключается в том, что флуоресцентные белки достаточно хрупкие и со временем разрушаются под действием света. Кроме того, ученым еще предстоит повысить их чувствительность.
Для этого планируется создавать новые варианты белков, которые будут дольше находиться в нужном триплетном состоянии. Исследователи также хотят проверить, можно ли использовать такие белки для надежного измерения не только магнитных полей, но и других параметров — например, кислотности среды или температуры.
По мнению специалистов, если эти задачи удастся решить, квантовые белки могут стать важным новым инструментом биологии и медицины. В перспективе они способны помочь преодолеть одно из главных ограничений современных светящихся меток — недостаточную чувствительность — и дать ученым возможность наблюдать процессы внутри клетки с точностью, которая до сих пор была недоступна.
