Ricercatori dell'Università di Chicago hanno realizzato un progresso significativo nella biologia quantistica, trasformando proteine fluorescenti in "biocubit" capaci di sfruttare i principi della fisica quantistica all'interno di sistemi biologici. Questa innovazione permette ai biocubit di esistere simultaneamente in più stati, un fenomeno noto come sovrapposizione, aprendo la strada a nuove tecnologie per esplorare le strutture cellulari e rivoluzionare la comprensione dei sistemi viventi.
A differenza dei bit classici dei computer (0 o 1), i qubit possono esistere in entrambi gli stati contemporaneamente, aumentando notevolmente la potenza computazionale. Tuttavia, l'applicazione dei qubit in ambienti biologici è stata finora limitata dalla necessità di condizioni controllate. La ricerca dell'Università di Chicago supera questo ostacolo utilizzando la capacità intrinseca delle proteine biologiche di funzionare come qubit in condizioni più naturali.
Il team ha sviluppato un microscopio avanzato, equipaggiato con illuminazione laser, per osservare lo stato delle proteine. Gli esperimenti hanno coinvolto proteine pure, cellule epiteliali umane e batteri Escherichia coli. Sebbene i biocubit abbiano mantenuto le loro proprietà quantistiche per circa 16 microsecondi, questa rappresenta la prima misurazione diretta di proprietà quantistiche all'interno di organismi viventi, aprendo prospettive entusiasmanti per la biologia quantistica e le biotecnologie.
La capacità delle proteine fluorescenti di assorbire ed emettere luce, proprietà che conferisce luminescenza a organismi come le meduse, è stata sfruttata per creare questi biocubit. Il fluoroforo di queste proteine, responsabile della luminescenza, può funzionare come qubit grazie alla sua capacità di esistere in uno stato metastabile di tripletto. In questo stato, la molecola assorbe luce ed entra in una fase eccitata in cui gli elettroni di più alta energia presentano uno spin parallelo, una condizione che dura per un breve periodo prima di decadere.
In termini quantistici, la molecola si trova in una sovrapposizione di molteplici stati contemporaneamente fino a quando non viene osservata direttamente o perturbata. I ricercatori hanno sfruttato questa proprietà sviluppando un microscopio confocale specializzato per manipolare lo stato di spin di queste proteine e impiegarle come qubit. L'osservazione degli impulsi elettronici indotti da un laser permette ai biocubit di fungere da sensori quantistici, rilevando processi all'interno di una cellula. Ciò potrebbe fornire preziose informazioni sulle funzioni biologiche a livello nanoscopico, come il ripiegamento delle proteine, il monitoraggio delle reazioni biochimiche cellulari e la comprensione di come i farmaci interagiscono con le cellule e le proteine bersaglio.
Questa capacità di rilevare segnali magnetici ed elettrici a livello microscopico segna un passo avanti significativo, aprendo la strada a nuove metodologie di progettazione di materiali quantistici e a una profonda trasformazione nella ricerca biologica e nelle biotecnologie. Questo lavoro pionieristico è stato sostenuto dalla creazione del Centro Berggren per la Biologia e la Medicina Quantistica presso l'Università di Chicago, grazie a una generosa donazione di 21 milioni di dollari.