Quantensensor aus einem einzelnen Molekül: Durchbruch in der Proteinforschung

Forscher der University of Waterloo am Institute for Quantum Computing (IQC) haben einen neuartigen Quantensensor vorgestellt, der auf einem einzelnen Trityl-OX063-Molekül basiert – eine Molekülklasse, die erstmals für diesen Zweck genutzt wird . Die am 27. Juli 2026 in Physical Review X veröffentlichte Arbeit etabliert eine Sensorplattform namens SQUINT (Spin-based Quantum Integrated Nanomechanical Transduction) . Der Durchbruch überwindet eine fundamentale Hürde molekularer Quantensensoren: Ihre Quantenzustände zerfallen zu schnell, um nützlich zu sein. Durch die Verlängerung der Kohärenz auf rund 400 Mikrosekunden und ein neuartiges Nanodraht-basiertes Ausleseverfahren eröffnet das Team den Weg zur atomgenauen Bildgebung einzelner Proteine – eine Fähigkeit, die die Medikamentenentwicklung und Strukturbiologie revolutionieren könnte .

Die Kohärenz-Herausforderung und die Lösung

Molekulare Spins, die Quantenzustände, die Sensorinformationen tragen, verlieren typischerweise in weniger als ~10 Mikrosekunden ihre Kohärenz – viel zu kurz für brauchbare Messungen . Das Waterloo-Team löste dieses Problem mit zwei Schlüsselinnovationen:

Eine modifizierte XYXY-Dipolar-Entkopplungssequenz. Diese neue Steuersequenz unterdrückt Elektron-Elektron-Dipolwechselwirkungen über einen breiten Bereich von Steuerfeldern und verlängert die Kohärenzzeit auf ~400 Mikrosekunden – rund 60-mal länger als mit Standard-Spin-Echo-Techniken im selben System . „Eine zentrale Herausforderung bestand darin, die OX063-Spins lange genug kohärent zu halten, um sie als Sensoren nutzbar zu machen“, sagte Sahand Tabatabaei, Doktorand am IQC und Erstautor der Studie .

Nanodraht-basiertes mechanisches Auslesen. Anders als das optische Auslesen bei Diamant-NV-Zentrum-Sensoren erfasst die SQUINT-Plattform Quantensignale mechanisch. Die Nanodraht-Sonden sind 100 nm dick (etwa so groß wie ein Virus) und 20 Mikrometer lang (etwa der Durchmesser eines menschlichen Haares) . Dieser mechanische Detektionsansatz ist völlig neu für die Quantensensorik und ermöglicht es, den Sensor wesentlich näher an den Zielmolekülen zu platzieren, als es mit Diamantsensoren möglich ist .

Bedeutung für die Einzelprotein-Bildgebung und Medikamentenentwicklung

Die Fähigkeit, ein Sensormolekül direkt neben ein Target zu platzieren – ohne in einem Kristallgitter wie bei Diamant-NV-Zentren eingeschlossen zu sein – verschafft Trityl-OX063 einen grundlegenden Nähevorteil . Die Forscher sehen mehrere vielversprechende Anwendungen:

• Strukturkartierung einzelner Proteine. Aktuelle molekulare Bildgebungsverfahren benötigen große, gemittelte Proben und können nicht die einzigartige Struktur eines einzelnen Proteins offenbaren. Diese Technik könnte die magnetische Umgebung einzelner Atome in einem Protein messen und so eine direkte Strukturkartierung auf molekularer Ebene ermöglichen .
• Medikamentenentwicklung. Die präzise Bildgebung einzelner Proteine könnte zeigen, wie Krankheiten auf molekularer Ebene entstehen und wie Wirkstoffkandidaten mit ihren Zielstrukturen interagieren – möglicherweise der Schlüssel zu wirksameren Therapien .
• Nähevorteil. Da Trityl-OX063-Moleküle nicht in einem Kristallgitter fixiert sind, können sie chemisch angebunden oder in wenigen Nanometern Abstand zum Zielmolekül positioniert werden. Das bietet eine molekulare Kontrolle über die Sensorplatzierung, die bestehende Plattformen nicht erreichen .

Aktueller Stand und Fahrplan

Der SQUINT-Sensor kann bereits den magnetischen Zustand von etwa 10 Kernspins erfassen . Dr. Raffi Budakian, der die Forschung leitete, sagte, das Team habe einen klaren Weg zur Einzelspin-Empfindlichkeit – der entscheidende Schritt, um die Struktur einzelner Moleküle abzubilden . Die Arbeit ist ein praktischer Schritt, um Quantensensoren für biologische und medizinische Fragen nutzbar zu machen, die mit klassischen Techniken nicht zu beantworten sind.