Οι μέδουσες Aequorea victoria, γνωστές και ως «κρυστάλλινες μέδουσες», έχουν μια σχεδόν απόκοσμη ομορφιά: χάρη σε μια φυσική πρωτεΐνη εκπέμπουν μια αχνή πράσινη λάμψη. Για δεκαετίες, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν αυτή την πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη —και παρόμοια μόρια— για να «φωτίζουν» τον κόσμο της βιολογίας, παρακολουθώντας τι συμβαίνει μέσα στα κύτταρα.
Τώρα όμως αυτά τα εργαλεία αποκτούν μια νέα, κβαντική διάσταση. Οι φυσικές ιδιότητες αυτών των πρωτεϊνών μπορούν να αξιοποιηθούν ώστε να λειτουργούν παρόμοια με τα βασικά στοιχεία της κβαντικής πληροφορίας. «Αυτές οι φθορίζουσες πρωτεΐνες που όλοι χρησιμοποιούν ως βιολογικούς δείκτες μπορούν στην πραγματικότητα να μετατραπούν σε qubits», λέει ο κβαντικός μηχανικός Peter Maurer από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο.
Η ιδέα μπορεί να ακούγεται σαν επιστημονική φαντασία, όμως η φυσική πίσω από αυτήν είναι γνωστή εδώ και χρόνια και τα πρώτα πειράματα έχουν ήδη αποδείξει ότι λειτουργεί.
Σήμερα, οι φθορίζουσες πρωτεΐνες αποτελούν ένα από τα σημαντικότερα εργαλεία των βιολογικών εργαστηρίων. Επιτρέπουν στους επιστήμονες να εντοπίζουν πού βρίσκονται συγκεκριμένες πρωτεΐνες μέσα στο κύτταρο, να παρακολουθούν τη δραστηριότητά τους, να εξετάζουν αν ένα φάρμακο φτάνει στον σωστό στόχο και να μετρούν διάφορες κυτταρικές συνθήκες.
Η προσθήκη κβαντικών ιδιοτήτων, ωστόσο, θα μπορούσε να ανοίξει εντελώς νέες δυνατότητες.
Οι κβαντικοί αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύουν μαγνητικά πεδία με εξαιρετική ευαισθησία. Αν οι πρωτεΐνες μετατραπούν σε τέτοιους αισθητήρες, ίσως μπορέσουν να καταγράφουν τα ελάχιστα σήματα που δημιουργούνται όταν πυροδοτούνται οι νευρώνες, να παρακολουθούν τις ροές ιόντων μέσα στα κύτταρα ή να εντοπίζουν μικροσκοπικές ποσότητες ελεύθερων ριζών — σημάδια κυτταρικού στρες που συνδέονται ακόμη και με τα πρώιμα στάδια καρκίνου.
Επιπλέον, αυτοί οι πρωτεϊνικοί κβαντικοί αισθητήρες θα μπορούσαν να ενεργοποιούνται και να απενεργοποιούνται εξ αποστάσεως, κάτι που θα τους καθιστούσε χρήσιμους σε νέες τεχνικές απεικόνισης αλλά και σε θεραπευτικές εφαρμογές.
Η Jin Zhang, ερευνήτρια βιοαισθητήρων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο, σημειώνει ότι οι φθορίζουσες πρωτεΐνες συνεχίζουν να εκπλήσσουν τους επιστήμονες με τις δυνατότητές τους. «Συχνά αντιμετωπίζουμε περιορισμούς στην ευαισθησία των φθοριζόντων δεικτών», λέει. Για αυτό και θεωρεί ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα την προοπτική των κβαντικών εκδοχών τους. «Ακόμη προσπαθώ να φανταστώ ποιες νέες εφαρμογές μπορεί να προκύψουν».
Η δεύτερη κβαντική επανάσταση στις πρωτεΐνες: Από τη θεωρία στις εφαρμογές
Η έρευνα αυτή εντάσσεται στο ευρύτερο πεδίο της κβαντικής ανίχνευσης για βιοϊατρικές εφαρμογές, έναν τομέα που εξελίσσεται ταχύτατα.
Στην πρώτη «κβαντική επανάσταση» των αρχών του 20ού αιώνα, οι φυσικοί άρχισαν να κατανοούν παράδοξες ιδιότητες του μικρόκοσμου, όπως η υπέρθεση — όπου ένα σύστημα μπορεί να βρίσκεται ταυτόχρονα σε πολλαπλές καταστάσεις — και η διεμπλοκή, κατά την οποία διαφορετικά συστήματα συνδέονται με τρόπο που δεν εξηγείται από την κλασική φυσική.
Σήμερα, στη λεγόμενη δεύτερη κβαντική επανάσταση, οι επιστήμονες επιχειρούν να ελέγξουν και να αξιοποιήσουν αυτές τις ιδιότητες για εφαρμογές στην υπολογιστική, την επικοινωνία και την ανίχνευση.
Ένας από τους πιο διαδεδομένους κβαντικούς αισθητήρες είναι τα λεγόμενα «NV centres» στα διαμάντια — ατέλειες στο κρυσταλλικό πλέγμα όπου ένα άτομο άνθρακα έχει αντικατασταθεί από άζωτο και ένα γειτονικό άτομο λείπει. Οι ηλεκτρονικές καταστάσεις σε αυτά τα σημεία μπορούν να χειριστούν με λέιζερ και μικροκύματα, και η εκπεμπόμενη ακτινοβολία μεταβάλλεται ανάλογα με το μαγνητικό πεδίο, τη θερμοκρασία και άλλες περιβαλλοντικές συνθήκες.
Αυτοί οι αισθητήρες είναι εξαιρετικά ακριβείς και λειτουργούν ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Ωστόσο έχουν περιορισμούς: είναι περίπου δέκα φορές μεγαλύτεροι από μια πρωτεΐνη και δύσκολα τοποθετούνται με ακρίβεια μέσα σε ένα κύτταρο.
Από τα διαμάντια στις πρωτεΐνες
Οι φθορίζουσες πρωτεΐνες, αντίθετα, είναι μικρές και μπορούν να παραχθούν ακριβώς στο σημείο που χρειάζεται μέσω γενετικής μηχανικής. «Το πλεονέκτημα που προσφέρει αυτό είναι τεράστιο», σημειώνει η φυσικός Ania Jayich από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στη Σάντα Μπάρμπαρα.
Πριν από περίπου δέκα χρόνια, ο David Awschalom από το Chicago Quantum Institute άρχισε να αναρωτιέται αν θα μπορούσαν να υπάρξουν μόρια που να λειτουργούν ως qubits. Το 2020 η ομάδα του έδειξε ότι ένα συνθετικό οργανoμεταλλικό μόριο μπορούσε να συμπεριφερθεί έτσι.
Από εκεί προέκυψε η ιδέα να αναζητηθούν αντίστοιχες ιδιότητες σε βιολογικά μόρια. Οι ερευνητές στράφηκαν στην λεγόμενη «ενισχυμένη κίτρινη φθορίζουσα πρωτεΐνη» (EYFP), η οποία είχε ήδη τροποποιηθεί από βιολόγους ώστε να εκπέμπει έντονο κίτρινο φως.
Σε αυτές τις πρωτεΐνες, όταν τα ηλεκτρόνια διεγείρονται από το φως λέιζερ και επιστρέφουν στην αρχική τους κατάσταση, εκπέμπεται φως. Μερικές φορές όμως τα ηλεκτρόνια μεταβαίνουν σε μια μετασταθή κατάσταση — την λεγόμενη «triplet state» — με αποτέλεσμα η λάμψη να μειώνεται ή να «τρεμοπαίζει».
Οι βιολόγοι θεωρούσαν αυτό το φαινόμενο πρόβλημα. Για τους φυσικούς όμως ήταν ακριβώς το κλειδί: η συγκεκριμένη κατάσταση επιτρέπει την δημιουργία κβαντικής υπέρθεσης των spin των ηλεκτρονίων, κάτι που αποτελεί τη βάση για έναν κβαντικό αισθητήρα.
Η ερευνητική ομάδα κατάφερε να δημιουργήσει αυτή την υπέρθεση χρησιμοποιώντας λέιζερ και μικροκύματα. Όταν εφαρμόζονταν μαγνητικά πεδία, η ένταση του εκπεμπόμενου φωτός άλλαζε έως και κατά 30%. Το σημαντικότερο: το σύστημα λειτούργησε μέσα σε ζωντανά βακτηριακά κύτταρα και σε θερμοκρασία δωματίου.
Οι προκλήσεις και οι πιθανές εφαρμογές και ένα νέο παράθυρο στη ζωή των κυττάρων
Παρότι τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά, υπάρχουν ακόμη σημαντικά εμπόδια. Οι φθορίζουσες πρωτεΐνες είναι σχετικά εύθραυστες και υποβαθμίζονται όταν εκτίθενται συνεχώς σε φως. Οι ερευνητές προσπαθούν επίσης να αυξήσουν την ευαισθησία τους, δημιουργώντας νέες παραλλαγές που παραμένουν περισσότερο χρόνο στην κρίσιμη κβαντική κατάσταση.
Αν τα εμπόδια αυτά ξεπεραστούν, οι εφαρμογές μπορεί να είναι εντυπωσιακές. Η άμεση ανίχνευση ηλεκτρομαγνητικών πεδίων μέσα σε κύτταρα θα μπορούσε, για παράδειγμα, να επιτρέψει την παρακολούθηση της στιγμής που πυροδοτείται ένας νευρώνας — κάτι που σήμερα είναι εξαιρετικά δύσκολο να μετρηθεί με ακρίβεια.
Όπως σημειώνει ο βιομηχανικός μηχανικός Nathan Shaner από το UC San Diego, «είναι πολύ δύσκολο να δημιουργηθεί ένας αξιόπιστος δείκτης για το δυναμικό ενέργειας των νευρώνων». Αν οι κβαντικές πρωτεΐνες το καταφέρουν, θα ανοίξουν ένα νέο παράθυρο στην κατανόηση της λειτουργίας του εγκεφάλου και των κυττάρων γενικότερα.
Πηγή: Nature