تصور کنید که به زندگی مخفی یک سلول نگاه میکنید؛ نه فقط ساختار آن را میبینید، بلکه میدانهای الکتریکی و مغناطیسی ظریفی را که بر تمام عملکردهای آن حاکم است، حس میکنید. یک کشف پیشگامانه از دانشگاه شیکاگو با تبدیل همان پروتئینهایی که باعث درخشش عروسهای دریایی میشوند به حسگرهای کوانتومی میکروسکوپی، این چشمانداز را به واقعیت نزدیکتر کرده است. این حسگرها میتوانند مستقیماً درون سلولهای زنده عمل کنند.
همان پروتئینهایی که مسئول درخشش در برخی از عروسهای دریایی هستند، میتوانند به اجزای سازنده حسگرهای کوانتومی بیولوژیکی تبدیل شوند. (اعتبار تصویر: optimarc/Shutterstock)
این رویکرد نوآورانه که جزئیات آن در مجله Nature شرح داده شده است، یک جهش بزرگ در زیستشناسی کوانتومی محسوب میشود. دانشمندان به جای تلاش برای تطبیق دستگاههای کوانتومی خارجی و بزرگ برای کار با سیستمهای بیولوژیکی شکننده، راهی پیدا کردهاند تا سلولها را برای ساخت بیتهای کوانتومی یا «کیوبیت» خودشان برنامهریزی کنند.
چگونه کار میکند؟ درخشش کوانتومی
کلید این فناوری در پروتئینهای فلورسنت نهفته است؛ ابزاری که زیستشناسان دهههاست برای برچسبگذاری و مشاهده مولکولها از آن استفاده میکنند. محققان دریافتند که بخشی از پروتئین که نور ساطع میکند، یعنی فلوئوروفور، یک ویژگی کوانتومی خاص دارد. هنگامی که با لیزر به آن انرژی داده میشود، الکترونهای آن میتوانند به یک «حالت سهگانه شبهپایدار» رانده شوند. در این حالت، مولکول به طور موثر در یک برهمنهی از چندین سطح انرژی به طور همزمان وجود دارد—این اصل بنیادی یک کیوبیت است.
برای کنترل و خواندن این حالت ظریف، تیم تحقیقاتی یک میکروسکوپ کانفوکال سفارشی ساخت. یک پالس لیزر اولیه، پروتئین را به یک حالت اسپین کوانتومی «آمادهسازی» میکند. سپس، از امواج مایکروویو برای حفظ یک نوسان همدوس استفاده میشود که باعث میشود پروتئین برای حدود ۱۶ میکروثانیه مانند یک کیوبیت کاربردی عمل کند. در نهایت، یک پالس لیزر فروسرخ نتیجه را میخواند و اطلاعاتی درباره محیط اطراف کیوبیت آشکار میکند.
پنجرهای جدید به سوی زیستشناسی
دانشمندان با مشاهده نحوه واکنش این کیوبیتهای مبتنی بر پروتئین به محیط اطرافشان، میتوانند از آنها به عنوان حسگرهای فوقالعاده حساس استفاده کنند. این امر میتواند بینشهای بیسابقهای را در مورد فرآیندهای بیولوژیکی در مقیاس نانو فراهم کند، از جمله:
- مشاهده فرآیند پیچیده تاخوردگی پروتئینها به صورت زنده.
- ردیابی واکنشهای بیوشیمیایی پیچیده در لحظه وقوع در داخل سلول.
- نظارت دقیق بر نحوه اتصال یک مولکول دارو به هدف خود.
در بلندمدت، این فناوری میتواند به اشکال جدیدی از تصویربرداری پزشکی و توانایی تشخیص مسیرهای بیماری در اولین مراحل مولکولی، مدتها قبل از ظهور علائم، منجر شود.
چالشهای پیش رو
در حالی که این پیشرفت بسیار بزرگ است، هنوز در مراحل اولیه خود قرار دارد. مانع اصلی، دما است. برای دستیابی به کارایی و پایداری بالا، کیوبیتهای پروتئین فلورسنت باید در داخل یک سلول انسانی تا دمای کرایوژنیک (حدود ۹۸- درجه سانتیگراد) سرد شوند. در دمای اتاق، این تکنیک تنها در سلولهای باکتریایی مقاومتر تا حدی موفقیتآمیز بود و کنتراست و پایداری بسیار کمتری از خود نشان داد.
حساسیت این حسگرهای بیولوژیکی نیز برای رسیدن به سطح حسگرهای حالت جامد موجود، مانند حسگرهای ساختهشده از نقصهای الماس، نیاز به بهبود دارد. با این حال، این تحقیق به طور قاطع زمینه جدیدی را ایجاد کرده است که در آن خود زیستشناسی ابزارهایی برای کاوش کوانتومی فراهم میکند. این کشف مرزهای بین فیزیک و علوم زیستی را محو کرده و فصل جدید و هیجانانگیزی را در تلاش ما برای درک ماشینآلات حیات باز میکند.
منبع: Live Science