Флуоресцентные белки с квантовым улучшением могут обеспечить беспрецедентный обзор содержимого клеток
Хрустальные медузы обладают жутковатой красотой: благодаря натуральному белку они излучают слабое зеленое свечение. На протяжении десятилетий исследователи использовали этот зеленый флуоресцентный белок и аналогичные молекулы, чтобы осветить область биологии, отслеживая, что происходит внутри клеток.
Теперь эти вездесущие инструменты получают все большее распространение: их квантовые свойства используются для того, чтобы сделать их похожими на фундаментальные элементы квантовых вычислений. «Эти флуоресцентные белки, которые все используют в качестве флуоресцентной метки, на самом деле можно превратить в кубит», — говорит Питер Маурер, квантовый инженер из Чикагского университета в Иллинойсе. Эта идея «звучит очень научно-фантастически», — говорит Маурер. Но физика не нова, и этот подход уже показал свою принципиальную эффективность.
Флуоресцентные белковые метки в настоящее время являются одним из важнейших инструментов в биологических лабораториях по всему миру. Они могут отслеживать местоположение и активность белков, определять условия внутри клетки, проверять, нацелены ли препараты-кандидаты на нужные участки, и выполнять ряд других задач. Но, по словам исследователей, добавление квантового подхода открывает новые и захватывающие возможности.
О поддержке научной журналистики
Если вам понравилась эта статья, подумайте о том, чтобы поддержать нашу журналистику, отмеченную наградами, подписавшись на нее. Приобретая подписку, вы помогаете обеспечить будущее впечатляющих историй об открытиях и идеях, формирующих наш современный мир.
Квантовые сенсоры могут обнаруживать магнитные поля и обладают исключительной чувствительностью, поэтому белковые версии могут улавливать крошечные сигналы, подаваемые нейронами или потоками ионов, или обнаруживать незначительные количества свободных радикалов, которые могут вызывать намекают на клеточный стресс или служат ранними признаками рака. И исследователи могут дистанционно включать и выключать эти квантовые датчики на основе белка, что делает их полезными инструментами для новых технологий визуализации и терапии.
Белковые метки продолжают удивлять исследователей новыми возможностями, говорит Джин Чжан, разработчик биосенсоров в Калифорнийском университете в Сан-Диего (UCSD). «Мы часто сталкиваемся с проблемой чувствительности флуоресцентных меток»она говорит, что ее заинтриговало то, что пока еще невообразимая наука может открыть благодаря квантовым вариантам. «Я все еще пытаюсь представить, какие новые приложения это может принести.»
Эта работа является частью более широкой области квантового зондирования для биологических применений, о которой говорят наблюдатели. горячо и быстро прогрессирует. Хотя разработка белковых квантовых сенсоров находится на ранней стадии, исследователи, проводящие эту работу, говорят, что на ее пути не так уж много препятствий: некоторые белки, которые можно было бы использовать таким образом, уже имеются в продаже, а оборудование для манипулирования ими входит в стандартную комплектацию.
«В прошлом могло показаться, что «ах, это, скорее всего, никогда не сработает», — говорит Аня Джаич, специалист по анализу данных. физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, который работает над другими типами квантовых датчиков. «Это больше не так».
Бриллианты навсегда?
В настоящее время квантовая физика переживает вторую революцию. Во время первого, в начале 1900-х годов, физики начали разгадывать причудливые свойства квантового мира, такие как суперпозиция, при которой что-то существует в нескольких состояниях одновременно, и запутанность, при которой квантовые состояния становятся таинственно связанными. Сейчас, во время второй революции, исследователи намеренно манипулируют отдельными квантовыми свойствами, чтобы открыть путь к высокоточным приложениям с высокой степенью информативности в вычислительной технике, связи и сенсорике.
Для квантовых вычислений необходимы кубиты — базовые единицы квантовой информации, которые не подвержены влиянию окружающего мира. Квантовое зондирование, напротив, основано на кубитах, на которые влияют внешние факторы, причем специфическими способами, которые можно измерить. Магнитно-резонансная томография (МРТ), например, создает изображение, манипулируя и измеряя квантовое свойство ядер водорода, известное как спин. Сверхпроводящие устройства квантовой интерференции (SQUID) используются для обнаружения магнитных полей в головном мозге во время магнитоэнцефалографического сканирования в больницах.
Одним из наиболее широко используемых квантовых датчиков на сегодняшний день является «алмазный центр NV» — дефект в кристалле алмаза, в котором один атом углерода заменен на атом азота (N), а соседний углерод отсутствует, образуя вакансию (V). Спиновыми состояниями электронов в этом центре можно управлять с помощью микроволн и лазеров, так что магнитные поля, температура и другие факторы окружающей среды влияют на свет, излучаемый электронами, точным и хорошо понятным образом. Эти датчики чрезвычайно чувствительны, универсальны и стабильны даже при комнатной температуре — в отличие от многих кубитных систем, которые требуют экстремального холода. Сегодня листы из NV-алмазов или наноразмерных кристаллов используются в лабораториях и в некоторых коммерческих продуктах, главным образом в физических науках — например, для определения характеристик полупроводников.
Для сравнения, бионаучные приложения оказалось сложнее разрабатывать, потому что живые системы «теплые и беспорядочные», — говорит Джайич, чья лаборатория специализируется на NV diamonds.
Но это поле заполняется. Например, это одно из немногих направлений деятельности Чикагского квантового института при Чикагском университете, которое в 2023 году получило дополнительное финансирование от Национального научного фонда США. И это единственное направление британского центра исследований квантового биомедицинского зондирования, который был запущен в декабре 2024 года. «Мы переживаем действительно захватывающее время в области квантовых технологий, когда многие лабораторные демонстрации достигают точки, когда они готовы к применению».» — говорит физик Джон Мортон из Университетского колледжа Лондона, который является содиректором исследовательского центра.
Исследовательские группы изучают, например, как использовать наноалмазы для проведения наноразмерной магнитно-резонансной томографии или для улучшения инструменты, используемые для отслеживания магнитных индикаторов во время операции. И, изменив внешний вид алмазных кристаллов таким образом, чтобы они связывались с определенными молекулами в образцах плазмы крови, исследователи разработали экспериментальные тесты на ВИЧ, которые в 100 000 раз более чувствительны, чем стандартные диагностические средства.
Многие исследователи экспериментируют с размещением алмазных квантовых датчиков внутри ячеек. Маурер говорит, что около половины сотрудников его лаборатории исследуют новые области применения наноалмазов и будут продолжать это делать.
Но у наноалмазных датчиков есть ограничения: они, как правило, громоздкие, примерно в десять раз больше, чем обычный датчик. белки, и их трудно разместить именно там, где вы хотите их получить. Флуоресцентные белки, напротив, имеют небольшие размеры и могут быть получены именно там, где они необходимы, внутри клеток, с использованием методов генной инженерии, что позволяет использовать их в любых целях, которые хотят исследовать исследователи. «Выгода, которую вы получаете от этого, огромна», — говорит Джайич.
Квантовое свечение
Около десяти лет назад Дэвид Авшалом, директор Чикагского квантового института и его коллеги начали задаваться вопросом, смогут ли они найти молекулы, которые действуют как кубиты. Он надеялся, что такие кубиты можно будет надежно изготовить с помощью химии, вместо того чтобы вырезать их из алмаза или полупроводников. В 2020 году его команда сообщила в журнале Science, что им удалось заставить синтезированную металлоорганическую молекулу вести себя как кубит, и вскоре его команда проделала то же самое с другими молекулами.
Эта работа побудила Авшалома объединиться с Маурером, который использовал свои знания в области физики для работы над биологической визуализацией, в поисках биологических молекул, которые могли бы выполнять тот же трюк. «По сути, это была идея того же типа, но теперь с системой, которая была удобна для работы в ячейках», — говорит Авшалом.
Они сосредоточились на «улучшенной желтой флуоресцентной лампе». протеин (EYFP), готовый продуктбиологи усилили его, придав ему ярко-желтое свечение. С точки зрения физики, эта молекула обладает электронной энергетической структурой, аналогичной структуре существующих кубитов, говорит Авшалом.
Флуоресцентные белки светятся, когда их электроны возбуждаются лазерным излучением, а затем возвращаются в исходное состояние. их расслабленное энергетическое состояние. Биологи обычно вставляют генетические инструкции для флуоресцентной белковой метки рядом с кодом интересующего белка. Затем, если экспрессируется целевой белок, экспрессируется и метка: направьте луч лазера на образец, и он загорится, как рождественская елка. Были разработаны варианты с различными цветами. А инженеры-белковщики продолжают разрабатывать версии, которые являются полезными датчиками: например, на их излучение может влиять уровень рН или механические воздействия внутри клеток, или присутствие ионов кальция, которые имеют решающее значение для передачи сигналов клетками, или ферментов киназы, участвующих в фосфорилировании, важном переключателе для включения и выключения белка активность. Однако флуоресцентные белки без квантовой модернизации не могут обнаруживать магнитные поля.
Небольшую долю времени возбужденные электроны в этих флуоресцентных белках переходят в метастабильное, нефлуоресцентное состояние, называемое триплетным состоянием (названным так из-за наличия трех возможных конфигураций спина). Это приводит к тому, что свет становится тусклым или мигает. «Люди знали, что такое случается, и ненавидели это, потому что это делает ваш флуоресцентный маяк менее ярким», — говорит Маурер. Для его целей это было преимуществом, а не помехой, поскольку триплетное состояние позволяет создавать когерентную суперпозицию спинов — и это создает потенциально полезный квантовый датчик. Квантовые датчики NV diamond также основаны на триплетном состоянии.
Авшалом говорит, что после нескольких неудачных попыток перевести EYFP в желаемое состояние квантовой суперпозиции с помощью лазерного излучения и микроволновые печи. По его словам, как только команда поняла энергетические уровни соответствующих квантовых состояний, «буквально на следующий день все заработало». Как и ожидалось, на флуоресцирующий свет воздействовали магнитные поля, интенсивность которых менялась примерно на 30%. Команда показала, что квантовый датчик работает в живых бактериальных клетках при комнатной температуре.
Предстоит преодолеть еще множество препятствий. Одна из проблем заключается в том, что флуоресцентные белки, как правило, хрупкие: со временем они разрушаются, когда на них попадает свет. Маурер говорит, что это можно исправить. Его команда также пытается повысить чувствительность белков. Биологи ранее разработали флуоресцентные белки, которые проводят в триплетном состоянии как можно меньше времени; Маурер говорит, что теперь они планируют сделать обратное — создать варианты и отобрать те, которые проводят в триплетном состоянии больше времени. Они также будут работать над тем, чтобы выяснить, можно ли, подобно алмазам NV, использовать эти белки для надежного обнаружения изменений в других условиях, включая рН и температуру.
Способность напрямую обнаруживать электромагнитные поля особенно интересна» — говорит Натан Шейнер, инженер-биолог из Калифорнийского университета, который разрабатывает флуоресцентные белки. «Что действительно сложно создать, так это надежный и чувствительный индикатор потенциала действия, который вы получаете, когда активируются нейроны», — говорит он, например. «Это крошечное изменение в крошечном масштабе».
Изобретение МРТ
Харрисон Стил, инженер из Оксфордского университета, Великобритания, совместно с Йорком и его коллегами провел исследование. чтобы развить эту идею. Они показали, что квантовые детали в этой системе немного отличаются — они включают триплетное состояние и запутанность между двумя электронами в соседних частях молекулы. Но, в целом, это тот же принцип: магнитные поля влияют на спиновые состояния электронов, и это изменяет интенсивность флуоресцирующего света, превращая белок в полезный квантовый датчик. Команда подготовила большие партии из 3000 слегка отличающихся друг от друга белков и выбрала те, которые были наиболее чувствительны к магнитным полям, сосредоточив внимание на четырех победителях для дальнейшего изучения.
Группа также показала, что каждый из их белков мигает различными способами, когда радиоволны и магнитные поля выключаются и включаются повторно. Они планируют разработать ряд белковых меток, каждая из которых будет иметь уникальное мерцание. По их словам, это было бы полезно для «мультиплексирования»: анализа десятка или более белков или состояний в одном образце. В арсенале исследователей также есть «квантовые точки» для решения этой задачи: крошечные полупроводниковые кристаллы, которые светятся всеми цветами радуги, своего рода искусственная версия флуоресцентных белковых меток. Но эти точки, как и NV-ромбы, трудно точно разместить внутри ячеек (и, по словам Джайича, в качестве датчиков они не такие гибкие и чувствительные, как NV-ромбы).
Магниточувствительные По словам Стила, флуоресцентные белковые метки также могут быть использованы для улучшения визуализации. В настоящее время флуоресцентная белковая микроскопия позволяет получить удивительно детальное представление об активности белка в тканях, но для этого необходимо четко видеть свет, что обычно означает разрезание исследуемого животного на части или изучение его плоти всего на миллиметр. Глубже свет рассеивается, и сигнал становится размытым — как будто пытаешься «заглянуть» внутрь своей руки, посветив сквозь нее фонариком.
Сталь идея состоит в том, чтобы с помощью радиоволн и градиента магнитного поля заставить флуоресцентные этикетки мигать только в определенных местах и в определенное время. Затем, несмотря на то, что свет рассеивается на выходе из тела, он может использовать известную информацию о магнитном поле, чтобы точно определить, откуда исходил свет, улучшая разрешение изображения. Этот подход сочетает в себе способность аппарата МРТ проникать глубоко в плоть с помощью радио- и магнитных сигналов с информацией о специфических белках, содержащейся в флуоресцентных метках.
Однако эта идея не очень хорошо подходит для глубокой визуализации людей: наши тела настолько велики, что излучаемый свет может полностью поглощаться, не достигая поверхности. А степень специфичности, к которой стремится Steel, означает введение флуоресцентных меток путем генетической настройки клеток — метод, предназначенный для терапии, спасающей жизни. Но это может сработать на живой мыши.
На данный момент Стил и его коллеги использовали свою установку для получения изображений флуоресцирующих белков в бактериях, которые были помещены в кусок пластика размером с мышь, с разрешением около полумиллиметра. Но они изобразили только одномерную линию, вместо того чтобы создать цельную трехмерную картинку. Стил говорит, что они сделали эту небрежную установку всего за месяц проектирования, и «это похоже на очень плохую магнитно-резонансную томографию», — смеется он. В течение следующего года они планируют усовершенствовать управление полями и интерпретацию сигналов, чтобы создать более функциональный 3D-прибор, надеюсь, с еще более высоким разрешением. «Физика работает, задача состоит лишь в том, чтобы создать что-то практичное», — говорит он. «В принципе, мы знаем, что нужно делать на каждом этапе».
Поскольку этими белками можно манипулировать с помощью магнитных полей, эти открытия также открывают двери для «магнитогенетики». — идея использования направленного магнитного поля для «дистанционного включения» метки и, скажем, изменения связывания близлежащих белков, чтобы инициировать терапевтический ответ глубоко внутри организма. «Об этом очень интересно думать», — говорит Шейнер. В будущем могут появиться другие области применения этих квантовых датчиков, добавляет он. «Где-то там кроется огромный потенциал. Я думаю, что пока не совсем ясно, что из этого возможно.»
Идея совершенствования квантовых датчиков, которые могут быть использованы внутри клеток, находится на стадии разработки, но многообещающая, — говорит Мортон. «Люди пытались понять: каким будет следующий NV? Что такое квантовый сенсор следующего поколения?»Флуоресцентные белки могут стать конкурентом, — говорит он, — но им предстоит пройти долгий путь, чтобы доказать, что их преимущества перевешивают недостатки, такие как хрупкость, по сравнению с алмазами NV.Маурер не согласен с этим, указывая на генетическую «адресность» флуоресцентных белков как на огромное преимущество. «Это не значит, что мы отказались от алмазов», — говорит он, но он считает, что флуоресцентные белки выиграют день для квантового зондирования внутри клеток.
Джайич также в восторге от открывающихся возможностей, особенно по мере того, как исследователи совершенствуют эти белки. «Это только начало», — говорит она. «Даже там, где он находится сейчас, он уже будет лучше, чем другие квантовые датчики, для определенных применений в биологии. Это не безумие. Это действительно захватывающе.»
Эта статья воспроизводится с разрешения автора и была впервые опубликована в марте. 3 декабря 2026 года.
