Naukowcy z Uniwersytetu w Chicago dokonali przełomu, przekształcając białko biologiczne w w pełni funkcjonalny czujnik kwantowy. Odkrycie to, opublikowane w czasopiśmie Nature, otwiera nowe możliwości w dziedzinie biologii kwantowej i diagnostyki medycznej.
Tradycyjnie, mechanika kwantowa i biologia były postrzegane jako odległe dziedziny. Komputery i czujniki kwantowe wymagają ekstremalnych warunków, takich jak temperatury bliskie zera absolutnego i idealna próżnia, aby utrzymać swoje delikatne właściwości. Z kolei organizmy żywe funkcjonują w ciepłym i chaotycznym środowisku, które wydaje się wrogie zjawiskom kwantowym. Ten fundamentalny podział utrudniał naukowcom bezpośrednią obserwację procesów życiowych na poziomie kwantowym.
Przełomowe badania z 2025 roku pokazały, że białko fluorescencyjne, takie jak żółte białko fluorescencyjne (EYFP), może pełnić rolę kubitu – fundamentalnej jednostki informacji w świecie kwantowym. Zamiast tworzyć skomplikowane maszyny naśladujące życie, badacze wykorzystali naturalne właściwości kwantowe cząsteczki już obecnej w systemie biologicznym. Podejście to sugeruje, że natura może wykorzystywać mechanikę kwantową do funkcji biologicznych, a naukowcy uczą się odczytywać ten „język”. Fakt, że białko biologiczne można przekształcić w kubit, wskazuje, że jego struktura jest już przystosowana do utrzymywania stanów kwantowych, co może oznaczać, że procesy takie jak aktywność enzymatyczna czy fałdowanie białek mają ukrytą warstwę kwantową.
Zalety tego podejścia są znaczące. W przeciwieństwie do sztucznych czujników kwantowych, białkowe kubity mogą być produkowane bezpośrednio przez komórki. Wprowadzenie odpowiedniego genu do komórki pozwala jej maszynom na masową produkcję tych czujników. Umożliwia to precyzyjne umieszczanie ich wewnątrz żywego systemu, niczym sadzenie nasion, z których wyrastają fabryki. Potencjalnie można by tworzyć samoorganizujące się sieci kwantowe w organizmach żywych, monitorujące tkanki lub narządy od wewnątrz. Dodatkowo, te biologiczne czujniki mogą wykrywać sygnały tysiące razy silniejsze niż obecne technologie, otwierając drzwi do bezprecedensowej czułości w obserwacji procesów biologicznych.
Najbardziej rewolucyjną aplikacją tej technologii jest wizja „kwantowego rezonansu magnetycznego w skali nano”. Umożliwia to śledzenie struktury atomowej maszynerii komórkowej, takiej jak proces fałdowania białek, w czasie rzeczywistym, gdy komórka żyje. Dzięki tej technologii można by wykrywać najwcześniejsze molekularne oznaki chorób, zanim pojawią się objawy. Choć precyzja tych białkowych czujników nie dorównuje jeszcze najlepszym czujnikom diamentowym, ich zdolność do funkcjonowania bezpośrednio w żywych systemach stanowi „znacznie bardziej radykalną” obietnicę. Odkrycie to mogłoby fundamentalnie zmienić definicję diagnostyki medycznej, umożliwiając przejście od leczenia do profilaktycznej korekty molekularnej.
Badania wykazały, że białka fluorescencyjne, takie jak EYFP, działają jako kubity zarówno w oczyszczonych próbkach, jak i wewnątrz komórek ssaków i bakterii. Wykazują one spójność spinową i wykrywalny rezonans magnetyczny, potwierdzając przeniesienie zachowań kwantowych do żywych systemów. Choć mniej czułe niż czujniki diamentowe, podejście to wprowadza genetycznie kodowalną platformę kwantową z potencjalnymi zastosowaniami w biologicznych czujnikach w skali nano i obrazowaniu kwantowym. Naukowcy podkreślają, że wykorzystali same systemy biologiczne do stworzenia kubitów, co otwiera nowe możliwości w tworzeniu kwantowych biosensorów i stanowi krok w kierunku integracji fizyki kwantowej z biologią. Potencjał tej technologii obejmuje wykrywanie pól magnetycznych, elektrycznych lub fluktuacji temperatury na poziomie nano, co może zrewolucjonizować diagnostykę medyczną i badania podstawowe nad procesami życiowymi.