Ключът към бъдещето: Учени превърнаха обикновен протеин в квантов бит – директно в живата клетка

Бариерата между биологията и физиката най-накрая е преодоляна.

Учени от Чикагския университет направиха стъпка, която доскоро изглеждаше невъзможна: те превърнаха протеин, естествено присъстващ в живите клетки, в работещ квантов бит. Квантовите изчисления обикновено изискват условия, които са възможно най-далеч от биологичните – свръхниски температури и изолация от всякакви шумове. Изследователите обаче са успели да използват самата природа като основа за квантов сензор, което открива възможността за изучаване на живота на атомно ниво.

Екипът, ръководен от Дейвид Аушалом и Питър Маурер от Училището по молекулярно инженерство „Прицкер“ (Pritzker), е използвал флуоресцентен протеин, който отдавна се използва в клетъчната биология, като платформа за нов вид квантов сензор. За разлика от традиционните наноматериали, подобни протеини могат да се синтезират директно в тялото, а естествената им структура осигурява атомна прецизност при подреждането им. В резултат на това те са в състояние да улавят сигнали, хиляди пъти по-слаби от много от съществуващите квантови сензори.

Тази научна работа демонстрира принципно нов подход: вместо да адаптират небиологичните устройства за работа в живите системи, учените са превърнали самите клетки в източник на квантови свойства. Този метод открива пътя към коренно различна биофизика – например към създаването на квантов ЯМР в наномащаб, който ще ни позволи да разглеждаме протеиновите комплекси и ензимите в тяхната естествена среда. Възможностите не се ограничават само до медицината и молекулярната биология: протеиновите кубити биха могли да повлияят и на развитието на самите квантови технологии, тъй като дават на инженерите механизъм за самосглобяване и еволюционен подбор, който не е достъпен за изкуствените материали.

Изследователите отбелязват, че техните сензори все още отстъпват по чувствителност на дефектите в диаманта – днес той е еталон в областта на квантовите измервания. Но основното предимство на новия метод е, че протеиновите структури могат да бъдат генетично вградени в живите клетки. Това означава, че квантовите свойства ще се проявяват директно в биологичната система, което ще направи възможно наблюдението на процесите на нагъване на протеините, активността на ензимите и първите признаци на патологии.

Проектът се оказа изключително трудоемък и е изисквал голямо постоянство от страна на екипа. Според самите учени само упоритостта и желанието на студентите да продължат да работят, дори когато резултатите са изглеждали безнадеждни, са направили откритието възможно. Сега науката е изправена пред перспективата да наблюдава живота на квантово ниво – и по този начин да премахне бариерата между физиката и биологията.

Това е огромен скок в науката, тъй като отваря врати за създаване на квантови сензори, които да изследват процеси в живите клетки, както и за хипотетичното изграждане на биологични квантови компютри.