“量子蛋白”可能成為生物學的下一個大熱門

晶體水母有一種特殊的視覺美感：由于天然蛋白質(zhì)，它們會發(fā)出淡淡的綠色光芒。幾十年來，研究人員一直利用這種綠色熒光蛋白和類似分子點亮生物學領域，追蹤細胞內(nèi)部的動態(tài)。經(jīng)過量子升級的熒光蛋白有望在細胞內(nèi)部提供前所未有的視角。

量子計算機終于派上用場來揭示背后的原因

現(xiàn)在，這些無處不在的技術正受到重視：其中包括量子特性的利用，使其類似于量子計算的基本部分。芝加哥大學伊利諾伊大學的量子工程師彼得·莫勒表示：*這些大家都用作熒光標記的熒光蛋白實際上可以變成量子比特。這個想法聽起來非常科幻。但這種物理學并不新鮮，這種方法已經(jīng)被證明在原則上是可行的。

熒光蛋白標記目前是全球生物學實驗室中最重要的工具之一。它們可以監(jiān)測蛋白質(zhì)的位置和活性，感知細胞內(nèi)的狀況，檢查藥物候選是否針對正確部位，并執(zhí)行一系列其他任務。但研究人員表示，加入量子元素帶來了新鮮且令人興奮的可能性。

量子傳感器能夠探測磁場且極為靈敏，因此蛋白質(zhì)版本可能能夠捕捉到神經(jīng)元放電或離子流動產(chǎn)生的微小信號，或發(fā)現(xiàn)暗示細胞應激或早期癌癥跡象的極少量自由基。研究人員可以遠程開關這些基于蛋白質(zhì)的量子傳感器，使其成為新成像技術和療法的有用工具。

這項工作屬于生物應用量子傳感的一個更大領域，觀察者認為該領域正處于熱門階段且發(fā)展迅速。盡管蛋白質(zhì)量子傳感器的發(fā)展仍處于早期階段，但相關研究人員表示，目前并無太大障礙：一些可用于此類用途的蛋白質(zhì)是現(xiàn)成的，且作設備的標準配置。

量子物理目前正經(jīng)歷第二次革命。在20世紀初，物理學家開始揭示量子世界的奇異性質(zhì)，比如疊加態(tài)，即某物同時存在于多個態(tài)，以及糾纏，量子態(tài)神秘地連接在一起。如今，在第二次革命中，研究人員有意控單個量子屬性，為計算、通信和傳感等信息密集、高精度應用打開大門。

量子計算需要量子比特——量子信息的基本單位——不受周圍世界干擾。相比之下，量子傳感依賴于受外部因素影響的量子比特，這些量子比特以特定方式可以被測量。例如，磁共振成像（MRI）通過控和測量人體氫核中的一種稱為自旋的量子特性來生成圖像。超導量子干涉裝置（SQUIDs）用于在醫(yī)院的腦磁圖掃描中檢測大腦中的磁場。

NV鉆石

目前最廣泛使用的量子傳感器之一是“NV鉆石中心”——即鉆石晶體中的一個缺陷，其中一個碳原子被氮（N）取代，且鄰近的碳缺失，形成空位（V）。該中心電子的自旋態(tài)可以通過微波和激光控，磁場、溫度及其他環(huán)境因素以精確且易于理解的方式影響電子發(fā)射的光。這些傳感器極其靈敏、多功能且即使在室溫下也穩(wěn)定——不同于許多需要極低溫度的量子比特系統(tǒng)。如今，NV鉆石片或納米級晶體被用于實驗室和一些商業(yè)產(chǎn)品中，主要用于物理科學領域——例如用于繪制半導體性能圖譜。

相比之下，生物科學應用更難開發(fā)，因為生命系統(tǒng)“溫暖且混亂”，Jayich的實驗室專注于NV鉆石。

但這個領域正在回升。例如，它是芝加哥大學量子研究所的少數(shù)重點領域之一，并于2023年獲得美國國家科學基金會的資助。它也是英國量子生物醫(yī)學傳感研究中心的唯一重點，該中心于2024年12月啟動。

對此，倫敦大學學院物理學家、該研究中心聯(lián)合主任約翰·莫頓稱：“我們正處于量子技術的一個非常激動人心的時刻，許多實驗室演示正處于開啟應用的階段。

例如，研究團隊正在研究如何利用NV鉆石進行納米級MRI1或改進用于追蹤手術中磁性示蹤的工具2. 通過調(diào)整鉆石晶體的外部，使其與血漿樣本中的特定分子結(jié)合，研究人員開發(fā)出了比標準診斷高出10萬倍靈敏度的實驗性HIV檢測。

一些研究人員正在研究NV鉆石的新用途，嘗試將鉆石量子傳感器放入細胞內(nèi)。

但NV鉆石傳感器有局限性：它們通常笨重，大約是蛋白質(zhì)的十倍大，而且很難精確定位。相比之下，熒光蛋白體積小，可以通過基因工程技術在細胞內(nèi)精確生成，使其與研究人員在研究的物質(zhì)中獲得巨大的收益。

量子發(fā)光

大約十年前，芝加哥量子研究所所長大衛(wèi)·奧沙洛姆和他的同事們開始思考是否能找到能作為量子比特的分子。他希望這樣的量子比特能通過化學可靠地產(chǎn)生，而不是用鉆石或半導體雕刻而成。2020年，他的團隊在科學雜志上報告了它能讓合成的有機金屬分子表現(xiàn)得像量子比特，他的團隊很快也對其他分子做了同樣的實驗。

這項工作促使奧沙洛姆與毛勒合作，后者將物理知識應用于生物成像領域，致力于尋找可能實現(xiàn)同樣效果的生物分子。

他們將重點放在“增強黃色熒光蛋白”（EYFP）上，這是一種現(xiàn)成產(chǎn)品，生物學家經(jīng)過增強，使其發(fā)出明亮的黃色光芒。從物理學角度看，這種分子的電子能量結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有量子比特相似。

用綠色熒光蛋白標記會使該腦組織中的神經(jīng)細胞發(fā)光

熒光蛋白在電子被激光激發(fā)時會發(fā)光，然后回落到放松的能量態(tài)。生物學家通常會將熒光蛋白標簽的遺傳指令插入感興趣蛋白質(zhì)的代碼旁邊。然后，如果目標蛋白被表達，標簽也會被表達：用激光照射樣本，它會像圣誕樹一樣亮起來。也有不同顏色的變體。蛋白質(zhì)工程師們也正在不斷開發(fā)有用的傳感器版本：例如，它們的光可以受到細胞內(nèi)pH或機械力的影響，或者鈣離子的存在（對細胞信號傳導至關重要），以及參與磷酸化的激酶酶（磷酸化是蛋白質(zhì)活性的重要開關）。然而，沒有量子升級的熒光蛋白無法探測磁場。

在極少數(shù)情況下，這些熒光蛋白中的激發(fā)電子會轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N亞穩(wěn)態(tài)、非熒光態(tài)，稱為三重態(tài)（因其三種自旋構(gòu)型而得名）。這會導致燈光變暗或閃爍。“人們知道會發(fā)生這種情況，但他們討厭它，因為這會讓你的熒光燈燈光不那么亮，”莫勒說。對他來說，這反而是優(yōu)勢，而非煩惱，因為三重態(tài)使自旋的相干疊加態(tài)能夠產(chǎn)生——這也成為一個潛在有用的量子傳感器。NV鉆石量子傳感器也依賴三重態(tài)。團隊證明，量子傳感器在室溫下的活細菌細胞中有效。

利用激光光和微波將EYFP置于所需的量子疊加態(tài)是一項相對簡單的任務。他說，一旦團隊理解了相關量子態(tài)的能級，“第二天，它就開始工作了”。正如預期的那樣，熒光受到磁場影響，磁場強度變化約30%。團隊證明，量子傳感器在室溫下對活細菌細胞中有效。研究人員對他們開發(fā)熒光蛋白，并從量子傳感器直接探測電磁場的能力尤其感到興奮。