„Kvantiniai baltymai“ gali leisti pamatyti procesus gyvose ląstelėse taip, kaip iki šiol buvo neįmanoma

Sekite TechNaujienos Google

Kvantinės technologijos gali persikelti į biologiją ne vien kaip matavimo prietaisai. Tyrėjai kuria baltymų sistemas, kuriose kvantinės savybės galėtų būti naudojamos itin jautriam magnetinių laukų, cheminių reakcijų ar kitų procesų stebėjimui gyvose ląstelėse.

Apie besiformuojančią „kvantinių baltymų“ kryptį rašo „Nature“. Idėja – biologinius baltymus paversti nanoskalės kvantiniais jutikliais, kurie veiktų tiesiog ląstelės viduje.

Kodėl to negali įprastas mikroskopas?

Daugelis procesų ląstelėje vyksta labai mažais masteliais ir jų negalima paprastai stebėti šviesa. Kvantinis jutiklis teoriškai gali reaguoti į itin silpnus vietinius laukus ar molekulinius pokyčius.

Jei tokius jutiklius pavyktų genetiškai užkoduoti, ląstelė pati galėtų pasigaminti matavimo „zondą“ ten, kur jo reikia.

Naujausi straipsniai

4 min. skaitymo • prieš 25 minutės

DI mokosi ieškoti teisinių „skylių“ – modeliai atranda būdų apeiti taisyklių tikslą jų formaliai nepažeisdami

4 min. skaitymo • prieš 40 minučių

Kvantiniai kompiuteriai artėja prie ribos, kai dabartinis interneto šifravimas gali tapti pažeidžiamas

4 min. skaitymo • prieš 1 val

Natrio baterijos ruošiasi mesti iššūkį ličiui – technologija artėja prie masinės gamybos

Visi naujausi straipsniai →

Biologija ir kvantinė fizika susilieja

Kol kas tai ankstyva tyrimų sritis, tačiau potencialas platus – nuo fundamentinių ląstelių procesų stebėjimo iki naujų diagnostikos metodų.

Idėja paversti baltymą kvantiniu jutikliu yra patraukli todėl, kad biologija pati moka itin tiksliai pristatyti baltymus į konkrečią ląstelės vietą. Jei kvantinė savybė gali būti integruota į genetiškai užkoduojamą baltymą, tyrėjas teoriškai galėtų „įrašyti“ jutiklio gamybos instrukciją tiesiai į ląstelę.

Tai būtų didelis skirtumas nuo įprastų išorinių nanodalelių. Svetimą jutiklį reikia kažkaip įvesti į audinį ir nukreipti ten, kur reikia, o baltymą pati ląstelė gali pagaminti konkrečiame organoidėje ar membranos vietoje.

Kvantinis jautrumas galėtų leisti aptikti labai silpnus magnetinius ar elektrinius laukus, cheminės aplinkos pokyčius ar molekulines sąveikas. Tokia informacija gali būti vertinga tiriant nervinių ląstelių aktyvumą, metabolizmą ar baltymų struktūrų pokyčius.

Tačiau biologinė aplinka kvantinėms būsenoms yra labai sudėtinga. Ląstelė yra šilta, drėgna ir pilna nuolat judančių molekulių, todėl kvantinė koherencija greitai prarandama. Tyrėjams reikia rasti sistemas, kurių signalas būtų pakankamai stabilus ir kartu nepakenktų pačiai ląstelei.

Jei šis iššūkis bus įveiktas, kvantiniai baltymai galėtų tapti nauja mikroskopijos ir biofizikos priemone. Svarbiausias jų pranašumas būtų ne gražesnis vaizdas, o galimybė išmatuoti fizinius parametrus ten, kur tradicinį jutiklį įterpti beveik neįmanoma.

Vienas perspektyviausių tikslų būtų stebėti procesus, kurie šiandien matomi tik netiesiogiai. Pavyzdžiui, nervinės ląstelės elektrinį aktyvumą galima registruoti elektrodais, tačiau elektrodas yra palyginti didelis ir invazinis. Jei baltyminis kvantinis jutiklis galėtų aptikti silpnus vietinius laukus iš pačios ląstelės vidaus, būtų galima gauti daug detalesnį erdvinį vaizdą.

Dar viena įdomi kryptis – molekulinių reakcijų stebėjimas realiu laiku. Biocheminiai procesai dažnai vyksta labai mažose erdvėse ir trumpais laiko intervalais. Tradiciniai fluorescenciniai žymekliai yra galingi, bet jie ne visada leidžia tiesiogiai išmatuoti fizinį lauką ar kvantinę būseną. Naujo tipo baltymai galėtų papildyti, o ne pakeisti esamus mikroskopijos metodus.

Tačiau iki praktinių medicinos prietaisų dar labai toli. Pirmiausia reikia parodyti, kad kvantinis signalas išlieka pakankamai stabilus biologinėje temperatūroje, kad baltymas nėra toksiškas ir kad jo signalą galima patikimai perskaityti per kitus ląstelės procesus. Net ir sėkmingas laboratorinis demonstravimas būtų tik ankstyvas žingsnis.

Jei šie barjerai bus įveikti, didžiausia vertė gali būti ne vien „kvantinis“ pavadinimas, o visiškai naujas matavimo būdas. Biologija galėtų gauti jutiklius, kurie kuriami genetiškai, veikia nanoskalėje ir pateikia fizinę informaciją ten, kur įprastas elektroninis prietaisas tiesiog netelpa.

Kvantinių baltymų tyrimai dar gali padėti suprasti, ar pati biologija jau naudoja kvantinius efektus praktiškai. Diskutuojama apie kvantinių reiškinių vaidmenį fotosintezėje, fermentų reakcijose ar gyvūnų magnetorecepcijoje. Nauji baltyminiai jutikliai galėtų suteikti tiesioginių matavimų, kurie padėtų atskirti realius kvantinius mechanizmus nuo spekuliacijų.

Jei technologija subręs, ji gali sujungti sintetinę biologiją ir kvantinę inžineriją. Tyrėjas galėtų genetiškai programuoti ne tik tai, kokį baltymą ląstelė gamina, bet ir kokį fizikinį dydį tas baltymas matuoja. Tai būtų visiškai naujas biologinių sensorių dizaino lygis.

Daugiau mokslo naujienų rasite TechNaujienos.lt mokslo rubrikoje.