Jedna molekula jako kvantový senzor: průlom může umožnit zobrazování jednotlivých proteinů

Význam objevu spočívá v řešení zásadního problému molekulárních kvantových senzorů: jejich kvantový stav obvykle zaniká příliš rychle na to, aby z něj bylo možné získat užitečné informace. Tým prodloužil dobu koherence na přibližně 400 mikrosekund a zkombinoval ji s mechanickým odečtem pomocí nanodrátků. Výsledkem je cesta k zobrazování jednotlivých proteinů na úrovni jejich atomárního okolí — s možnými dopady na strukturní biologii a vývoj léčiv .

Proč je kvantová koherence tak důležitá

Kvantové senzory využívají spin — kvantovou vlastnost částic — jako nosič informace o okolním magnetickém poli. Molekulární spiny ale v běžných podmínkách ztrácejí koherenci, tedy uspořádaný kvantový stav potřebný pro měření, často za méně než 10 mikrosekund . To je příliš krátká doba pro přesné snímání.

Waterlooský tým použil dvě hlavní inovace:

• Upravenou sekvenci XYXY pro potlačení dipólových interakcí. Nová řídicí sekvence omezuje interakce mezi elektronovými spiny v širokém rozsahu řídicích polí. Doba koherence se tak prodloužila na přibližně 400 mikrosekund, tedy zhruba 60krát více než u standardních technik spinového echa ve stejném systému . „Jednou z hlavních výzev bylo udržet spiny OX063 koherentní dostatečně dlouho, aby mohly sloužit jako senzory,“ uvedl Sahand Tabatabaei, doktorand z IQC a první autor studie .

• Mechanický odečet pomocí nanodrátků. SQUINT na rozdíl od senzorů využívajících optický odečet, například diamantových senzorů s centry NV, převádí kvantový signál na mechanicky detekovatelný pohyb. Použité nanodrátky mají průměr 100 nanometrů, přibližně jako virus, a délku 20 mikrometrů, což odpovídá zhruba průměru lidského vlasu . Tento přístup umožňuje umístit senzor mnohem blíže ke zkoumaným molekulám než některé senzory zabudované v diamantové krystalové mřížce .

Co to může znamenat pro zobrazování proteinů

Trityl-OX063 není pevně uzamčený v krystalové mřížce. Lze jej proto chemicky připojit nebo jinak umístit do vzdálenosti několika nanometrů od cílové molekuly. Tato blízkost dává senzoru výhodu při měření lokálního magnetického prostředí .

Možné využití zahrnuje:

• Mapování struktury jediného proteinu. Současné metody molekulárního zobrazování často pracují s velkým množstvím kopií molekuly a výsledkem je zprůměrovaný obraz. Nová technika by mohla měřit magnetické prostředí jednotlivých atomů v jediném proteinu a přispět k jeho přímému strukturnímu mapování .
• Vývoj léčiv. Přesnější pohled na jednotlivé proteiny by mohl pomoci objasnit molekulární mechanismy nemocí i způsob, jakým se kandidátní léčiva vážou na své cíle. To by v budoucnu mohlo podpořit návrh účinnějších terapií .
• Přesnější umístění senzoru. Protože molekuly trityl-OX063 nejsou součástí pevné krystalové mřížky, nabízí se větší kontrola nad jejich umístěním v blízkosti zkoumaného objektu .

Kde je výzkum nyní

SQUINT v současnosti dokáže zachytit magnetický stav přibližně 10 jaderných spinů . Vedoucí výzkumu Raffi Budakian uvedl, že tým má připravený postup, jak dosáhnout citlivosti na jediný spin. Právě to by představovalo zásadní krok k mapování struktury jednotlivých molekul .

Nejde tedy ještě o hotový nástroj pro rutinní zobrazování proteinů. Výsledky ale ukazují, že molekulární kvantové senzory mohou překonat dosavadní omezení krátké koherence a současně se dostat velmi blízko ke zkoumanému biologickému cíli. Pokud se podaří zvýšit jejich citlivost a spolehlivost, mohou nabídnout nový způsob, jak zkoumat biologii a medicínu v měřítku, které klasické metody dosud obtížně zachycují.