Terobosan ilmiah mengarah ke 'qubit biologis fluoresen' – itu bisa berarti mengubah sel Anda menjadi sensor kuantum
Berbasis protein bit kuantum (qubits) bisa menjadi kunci untuk mempercepat penelitian biologis pada skala terkecil, berkat terobosan ilmiah baru.
Para peneliti dari University of Chicago telah menemukan cara untuk mengubah protein fluoresen menjadi qubit biologis yang dapat dibangun langsung di dalam sel, kemudian digunakan sebagai cara untuk mendeteksi sinyal magnetik dan listrik di dalam sel. Terobosan ini dirinci dalam makalah yang diterbitkan 20 Agustus di jurnal Alam.
“Temuan kami tidak hanya memungkinkan cara baru untuk penginderaan kuantum di dalam sistem kehidupan tetapi juga memperkenalkan pendekatan yang sangat berbeda untuk merancang bahan kuantum,” kata Peter Maurerpeneliti co-principal dan asisten profesor rekayasa molekuler di Uchicago, dalam a penyataan. “Secara khusus, kita sekarang dapat mulai menggunakan alat-alat evolusi dan perakitan diri Nature sendiri untuk mengatasi beberapa penghalang jalan yang dihadapi oleh teknologi kuantum berbasis spin saat ini.”
Dengan mengembangkan qubit biologis yang dapat digunakan di dalam sel menggunakan protein yang sudah ada yang telah digunakan dalam mikroskop, penelitian ini mem -bypass kebutuhan untuk memperbaiki perangkat kuantum yang ada untuk bekerja dalam sistem biologis. Ini pada akhirnya dapat menyebabkan sensor kuantum yang tidak membutuhkan pendinginan ekstrem dan isolasi yang biasanya dibutuhkan untuk teknologi kuantum.
Temuan fluoresen
Protein fluoresen, yang dapat ditemukan dalam berbagai organisme laut, menyerap cahaya pada satu panjang gelombang dan memancarkannya pada panjang gelombang lain yang lebih panjang; Ini, misalnya, apa yang memberi ubur -ubur kemampuan untuk bersinar. Dengan demikian, mereka digunakan oleh ahli biologi untuk menandai sel melalui pengkodean genetik dan dalam sekering protein.
Para peneliti menemukan bahwa fluorofor dalam protein ini, yang memungkinkan kekecewaan cahaya, dapat digunakan sebagai qubit karena kemampuan mereka memiliki keadaan triplet metastable. Di sinilah molekul menyerap cahaya dan transisi ke dalam keadaan tereksitasi dengan dua elektron berenergi tertinggi dalam putaran paralel. Ini berlangsung untuk waktu yang singkat sebelum membusuk. Dalam istilah mekanik kuantum, molekul berada dalam superposisi beberapa keadaan sekaligus sampai diamati secara langsung atau terganggu oleh gangguan eksternal.
Untuk memanfaatkan ini, para peneliti mengembangkan kebiasaan mikroskop confocal -Sistem optik, yang terdiri dari serangkaian lensa dan cermin, yang menggunakan cahaya laser untuk menghasilkan gambar resolusi tinggi dari sampel biologis-untuk secara optik menangani keadaan putaran protein fluoresen kuning yang ditingkatkan (EYFP) dan menggunakannya sebagai qubit dalam protein yang dimurnikan, sel ginjal manusia dan bakteri e.coli.
Mikroskop laser awalnya menggunakan pulsa optik 488-nanometer untuk menginduksi keadaan putaran di EYFP. Pulsa laser inframerah dekat kemudian memicu pembacaan status putaran triplet dengan “kontras putaran hingga 20%”-yang berarti para peneliti dapat melihat cukup perbedaan dalam keadaan putaran untuk menggunakan protein sebagai qubit yang berfungsi.
Setelah putaran telah diinisialisasi, para peneliti menggunakan gelombang mikro untuk menjaga putaran dalam osilasi yang koheren antara dua tingkat – sehingga protein berperilaku sebagai qubit untuk sekitar 16 mikrodetik sebelum keadaan triplet membusuk.
Terobosan Biologis
Mengamati bagaimana elektron pulsa dari dipukul oleh laser berarti qubit biologis dapat digunakan sebagai sensor kuantum, mengambil apa yang terjadi di dalam sel.
Ini dapat menghasilkan wawasan tentang fungsi biologis di skala nano, seperti lipatan protein, pelacakan reaksi biokimia dalam sel dan memantau bagaimana obat berikatan dengan sel target dan protein, kata para ilmuwan dalam penelitian ini. Ini juga dapat menyebabkan kemajuan dalam pencitraan medis dan deteksi dini jalur penyakit.
Sementara qubit biologis dapat mengguncang penginderaan biologis dan membuka cara baru untuk membuat sensor kuantum, masih ada rintangan yang harus diatasi.
Untuk secara efektif memanipulasi keadaan putaran protein fluorescent, perlu disimpan pada suhu nitrogen cair. Dan sementara qubit biologis membuktikan dapat digunakan secara efektif dalam lingkungan kompleks sel mamalia – bagian penting dari terobosan – masih perlu didinginkan hingga suhu 175 Kelvin (-98,15 derajat Celcius). Pada suhu kamar, teknik ini masih berfungsi dalam sel bakteri, dengan para peneliti secara optik mendeteksi resonansi magnetik, tetapi hanya dengan kontras hingga 8%, dan dengan penipisan cepat keadaan spin EYFP.
Sensitivitas sensor kuantum biologis juga tertinggal di balik sensor solid-state, seperti yang terbuat dari cacat berlian. Jadi masih ada pekerjaan yang harus dilakukan pada stabilitas dan sensitivitas sebelum qubit biologis dan sensor kuantum dalam sel dapat menjadi alat praktis untuk digunakan dalam biologi dan kedokteran.
Tapi ini adalah terobosan yang melampaui tahap bukti konsep, dan menyandikan qubit langsung ke dalam sel membuka jalan baru untuk teknologi kuantum, di mana batas antara fisika kuantum dan biologi kabur.
