Επιστήμονες δημιούργησαν πρωτεϊνικό qubit μέσα σε ζωντανό κύτταρο!

Μια ανακάλυψη που μοιάζει βγαλμένη από επιστημονική φαντασία αλλάζει τα δεδομένα στη βιολογία και την κβαντική φυσική. Ερευνητές από το University of Chicago κατάφεραν να αξιοποιήσουν μια πρωτεΐνη που υπάρχει εδώ και χρόνια στη βιολογική έρευνα, ώστε να λειτουργήσει ως qubit μέσα σε ζωντανό κύτταρο θηλαστικού. Πρόκειται για ένα επίτευγμα που ανοίγει τον δρόμο σε έναν νέο κόσμο εφαρμογών: από την παρακολούθηση βιολογικών διεργασιών με ακρίβεια κβαντικής κλίμακας, μέχρι την κατανόηση πολύπλοκων μηχανισμών που σχετίζονται με ασθένειες.

Η ιδέα της συνύπαρξης κβαντικής τεχνολογίας και βιολογίας φάνταζε μέχρι τώρα σχεδόν αδύνατη. Τα κβαντικά συστήματα απαιτούν απόλυτα ελεγχόμενα περιβάλλοντα, με προστασία από κάθε πιθανή «παρέμβαση». Αντίθετα, το εσωτερικό ενός ζωντανού κυττάρου είναι ένα χαοτικό πεδίο, γεμάτο τυχαίες αλληλεπιδράσεις. Ακόμη και στα πιο προηγμένα εργαστηριακά κβαντικά μηχανήματα, η σταθερότητα ενός qubit αποτελεί τεράστια πρόκληση. Ωστόσο, η ομάδα του University of Chicago κατάφερε να αποδείξει ότι αυτό είναι εφικτό ακόμη και μέσα σε ζωντανά κύτταρα.

Το «κλειδί» βρέθηκε στην ενισχυμένη κίτρινη φθορίζουσα πρωτεΐνη (EYFP), η οποία χρησιμοποιείται εδώ και χρόνια στη βιολογία για την απεικόνιση κυττάρων. Σε μια σειρά πειραμάτων που δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature, οι επιστήμονες έδειξαν ότι η EYFP μπορεί να λειτουργήσει ως qubit, χάρη σε μια ιδιότητα που δεν είχε αξιοποιηθεί ποτέ μέχρι σήμερα. Συγκεκριμένα, ανακάλυψαν ότι ορισμένα ηλεκτρόνια της πρωτεΐνης μπορούν να διατηρούνται σε μια λεγόμενη «triplet state» (τριπλή κατάσταση). Σε αυτήν την κατάσταση, τα spin των ηλεκτρονίων μπορούν να χειραγωγηθούν με παλμούς laser ώστε να συμπεριφέρονται σαν qubit, δηλαδή να βρίσκονται σε υπέρθεση διαφορετικών καταστάσεων.

Η ανάγνωση αυτών των καταστάσεων γίνεται επίσης με φως: οι επιστήμονες μπορούν να ανιχνεύσουν την κβαντική κατάσταση της πρωτεΐνης παρατηρώντας τις οπτικές αντιδράσεις της. Οι λεπτές διακυμάνσεις στην υπέρθεση, οι οποίες καταγράφονται σαν μοτίβα «παρεμβολών», δίνουν πολύτιμες πληροφορίες για το περιβάλλον γύρω από το qubit. Ουσιαστικά, η κβαντική συμπεριφορά της πρωτεΐνης μπορεί να κωδικοποιεί στοιχεία για τις συνθήκες που επικρατούν στο κύτταρο.

Οι κβαντικοί αισθητήρες είναι ήδη γνωστοί για την απίστευτη ακρίβεια τους. Χρησιμοποιούνται παραδοσιακά για την ανίχνευση μαγνητικών και ηλεκτρικών πεδίων ή θερμοκρασιών, και η ευαισθησία τους είναι τέτοια που μπορούν να αποκαλύψουν φαινόμενα σχεδόν ανεπαίσθητα. Στο παρελθόν, αντίστοιχες τεχνικές με βάση ελαττώματα σε διαμάντια χρησιμοποιήθηκαν για την καταγραφή νευρικής δραστηριότητας ή ακόμη και για τη χαρτογράφηση κοιτασμάτων ορυκτών. Τώρα, για πρώτη φορά, τέτοιου είδους τεχνολογία μπαίνει μέσα σε ζωντανά κύτταρα, προσφέροντας δυνατότητες μελέτης των ίδιων των θεμελιωδών μηχανισμών της ζωής.

Η ερευνητική ομάδα θεωρεί ότι οι επιπτώσεις μπορεί να είναι τεράστιες. Η νέα μέθοδος θα μπορούσε να επιτρέψει την παρακολούθηση της δυναμικής αναδίπλωσης των πρωτεϊνών σε πραγματικό χρόνο, την κατανόηση των διαδικασιών γονιδιακής έκφρασης ή ακόμη και την αποκάλυψη μηχανισμών που οδηγούν στην εμφάνιση ασθενειών. Επιπλέον, αν η ίδια προσέγγιση αποδειχθεί εφαρμόσιμη και σε άλλες πρωτεΐνες, τότε θα είναι εφικτό να χρησιμοποιηθούν πολλαπλά qubits ταυτόχρονα σε ένα μόνο βιολογικό σύστημα. Αυτό θα σήμαινε ότι οι επιστήμονες θα μπορούν να χαρτογραφούν πολύπλοκες βιολογικές διεργασίες με ακρίβεια που μέχρι χθες φαινόταν αδιανόητη.

[via]