Учёные создали биологический кубит на основе белка для квантовых сенсоров внутри живых клеток

Исследователи разработали белковые кубиты, которые могут естественным образом производиться клетками, открывая возможности для прецизионных измерений тканей, отдельных клеток или даже отдельных молекул. Автор: Джейсон Смит

На первый взгляд, биология и квантовые технологии кажутся несовместимыми. Живые системы функционируют в тёплых, шумных средах, полных постоянного движения, в то время как квантовые технологии обычно требуют экстремальной изоляции и температур, близких к абсолютному нулю.

Но квантовая механика является основой всего, включая биологические молекулы. Теперь исследователи из Притцкерской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (UChicago PME) превратили белок, обнаруженный в живых клетках, в функционирующий квантовый бит (кубит) — основу квантовых технологий. Белковый кубит может использоваться в качестве квантового сенсора, способного обнаруживать мельчайшие изменения и в конечном итоге предлагать беспрецедентное понимание биологических процессов.

«Вместо того чтобы брать обычный квантовый сенсор и пытаться замаскировать его для проникновения в биологическую систему, мы хотели исследовать идею использования самой биологической системы и разработки её в кубит», — сказал Дэвид Авшалом, со-руководитель проекта, профессор молекулярной инженерии в UChicago PME и директор Чикагской квантовой биржи (CQE). — «Использование природы для создания мощных семейств квантовых сенсоров — вот новое направление здесь».

Междисциплинарное достижение опубликовано в журнале Nature.

В отличие от искусственных наноматериалов, белковые кубиты могут строиться непосредственно клетками, позиционироваться с атомной точностью и обнаруживать сигналы в тысячи раз сильнее, чем существующие квантовые сенсоры. В перспективе эти белковые кубиты могут привести к революции в квантовой МРТ наномасштаба, раскрывая атомную структуру клеточных механизмов и преобразуя наш способ проведения биологических исследований. Помимо биологии, белковые кубиты также могут открыть новые горизонты для развития самой квантовой технологии.

«Наши выводы не только открывают новые возможности для квантового зондирования внутри живых систем, но и представляют принципиально иной подход к проектированию квантовых материалов», — сказал Питер Маурер, со-руководитель исследования и доцент молекулярной инженерии в Чикагском университете. — «В частности, мы теперь можем начать использовать собственные инструменты природы — эволюцию и самосборку — для преодоления некоторых тупиков, с которыми сталкивается современная спиновая квантовая технология».

Фотофизика белков EYFP и схема считывания OADF. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09417-w

Генетически кодируемые флуоресцентные белки, подобные использованному в этом исследовании, стали crucial инструментом в клеточной биологии за последние два десятилетия, позволяя учёным изучать процессы, происходящие внутри клетки. Превращение одного из этих белков в квантовый сенсор позволяет исследовать биологические системы на ещё более глубоком, более точном уровне. И хотя это исследование использовало только один вид флуоресцентного белка, исследователи говорят, что метод должен работать широко across различных классов белков и систем, открывая мириады возможностей для будущих исследований.

«Это действительно захватывающий сдвиг», — сказал со-первый автор Бенджамин Солоуэй, кандидат в доктора наук по квантовой физике в лаборатории Авшалома. — «С помощью флуоресцентной микроскопии учёные могут видеть биологические процессы, но должны делать выводы о том, что происходит на наномасштабе. Теперь мы впервые можем непосредственно измерять квантовые свойства внутри живых систем».

Авшалом и Маурер подчеркнули, что упорство студентов в команде было vital для успеха проекта.

«Исследовательские проекты часто занимают несколько лет, и результаты далеко не определены. Этот проект не был исключением», — сказал Джейкоб Федер, со-первый автор статьи и бывший студент Авшалома и Маурера. Федер получил докторскую степень в апреле.

«Эта работа стала возможной только потому, что наши студенты имели смелость идти на риски и двигаться вперёд, даже когда результаты выглядели обескураживающе в течение quite некоторого времени», — сказал Авшалом. — «Их настойчивость — вот что сделало это открытие успешным — это был сложный проект».

Новые белковые кубиты пока не могут соперничать по чувствительности с лучшими современными квантовыми сенсорами, обычно изготовленными из дефектов в алмазе. Но поскольку они могут быть генетически встроены в живые системы, они promise нечто гораздо более радикальное: возможность наблюдать за биологией на квантовом уровне, от сворачивания белков и активности ферментов до самых ранних признаков заболеваний.

Как выразился Солоуэй: «Мы вступаем в эпоху, когда граница между квантовой физикой и биологией начинает растворяться. Именно там произойдёт по-настоящему transformative наука».

Дополнительная информация: Jacob S. Feder et al, A fluorescent-protein spin qubit, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09417-w

Источник: University of Chicago