Onderzoekers aan de Universiteit van Chicago hebben een opmerkelijke doorbraak gerealiseerd door een eiwit in levende cellen te transformeren tot een functionele quantum bit, ofwel qubit. Dit baanbrekende werk, gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Nature, opent nieuwe mogelijkheden voor quantum sensing binnen biologische systemen. In tegenstelling tot conventionele quantum sensoren die vaak extreme koude temperaturen vereisen, opereren deze nieuwe, eiwit-gebaseerde qubits effectief in de warme en dynamische omgevingen die kenmerkend zijn voor biologische processen.
Het team, onder leiding van David Awschalom en Peter Maurer, heeft zich gericht op een genetisch gecodeerd fluorescent eiwit. Zij hebben aangetoond dat dit eiwit kan functioneren als een quantum sensor die minuscule omgevingsveranderingen kan detecteren. Dit zou de weg kunnen vrijmaken voor quantum-gebaseerde nanoscale Magnetic Resonance Imaging (MRI), wat gedetailleerde inzichten op atomair niveau in biologische processen mogelijk maakt. De onderzoekers slaagden erin om optisch adresseerbare spin qubits te realiseren in het Enhanced Yellow Fluorescent Protein (EYFP), met meetbare spin-relaxatie- en coherentietijden. Dit positioneert fluorescerende eiwitten als een veelbelovend nieuw platform voor quantum sensoren.
Deze doorbraak werd mede mogelijk gemaakt door steun van de National Science Foundation's Quantum Leap Challenge Institute for Quantum Sensing for Biophysics and Bioengineering (QuBBE) en de Gordon and Betty Moore Foundation. QuBBE, opgericht in 2021, streeft ernaar quantum technologie in de biologie te bevorderen en een quantum-werkpakket te ontwikkelen via STEM-onderwijs. De mogelijkheid om quantum sensoren direct in levende cellen te integreren, vertegenwoordigt een significante vooruitgang voor zowel de quantum technologie als het biologisch onderzoek. Het biedt de potentie om ons begrip van cellulaire processen en ziekte mechanismen te verdiepen, en opent de weg voor nieuwe diagnostische en therapeutische benaderingen.
De eiwit-gebaseerde qubits kunnen door de cellen zelf worden gesynthetiseerd en met atomische precisie worden gepositioneerd, waardoor ze natuurlijk integreren in biologische omgevingen. Dit vermogen zal de resolutie en gevoeligheid van nanoscale MRI in levend weefsel drastisch verbeteren. De onderzoekers geloven dat deze techniek toepasbaar is op een brede klasse van eiwitten. Dit onderzoek opent mogelijkheden voor quantum sensing binnen levende systemen, en biedt een methode om quantum eigenschappen op de nanoschaal direct te meten. De eiwit-qubits kunnen ook een nieuwe benadering introduceren voor het ontwerpen van quantum materialen. Deze innovatie markeert een cruciale stap in het overbruggen van de microscopische quantum wereld en de macroscopische complexiteit van het leven zelf, met toepassingen die variëren van het volgen van medicijnen door celmembranen tot het nauwkeurig afbakenen van tumorgrenzen tijdens chirurgie.