Un sensor cuántico del tamaño de una molécula que puede ver el interior de proteínas individuales

El desafío de la coherencia y su solución

Los espines moleculares, que son los estados cuánticos que transportan la información de detección, normalmente pierden su coherencia en menos de ~10 microsegundos, un tiempo demasiado corto para realizar mediciones útiles . El equipo de Waterloo resolvió este problema con dos innovaciones clave:

Una secuencia de desacoplamiento dipolar XYXY modificada. Esta nueva secuencia de control suprime las interacciones dipolares entre electrones en un amplio rango de campos de control, extendiendo los tiempos de coherencia a ~400 microsegundos, aproximadamente 60 veces más que las técnicas estándar de eco de espín en el mismo sistema . "Uno de los principales desafíos era mantener los espines de OX063 coherentes el tiempo suficiente para que fueran útiles como sensores", dijo Sahand Tabatabaei, candidato a doctorado en el IQC y primer autor del artículo .

Lectura mecánica basada en nanocables. A diferencia de la lectura óptica utilizada en los sensores de centros NV de diamante, la plataforma SQUINT detecta señales cuánticas de forma mecánica. Las sondas de nanocables tienen 100 nm de diámetro (aproximadamente el tamaño de un virus) y 20 micrómetros de largo (aproximadamente el diámetro de un cabello humano) . Este enfoque de detección mecánica es completamente nuevo para la detección cuántica y permite colocar el sensor mucho más cerca de las moléculas objetivo de lo que pueden lograr los sensores basados en diamante .

Implicaciones para la obtención de imágenes de proteínas individuales y el descubrimiento de fármacos

La capacidad de colocar una molécula sensora directamente adyacente a un objetivo, sin estar encerrada en una red cristalina como los centros NV de diamante, le da al tritil-OX063 una ventaja fundamental de proximidad . Los investigadores prevén varias aplicaciones de gran potencial:

• Mapeo de la estructura de proteínas individuales. Las técnicas actuales de imagen molecular requieren muestras grandes y promediadas y no pueden revelar la estructura única de una sola proteína. Esta técnica podría medir el entorno magnético de átomos individuales dentro de una sola proteína, lo que permitiría un mapeo estructural directo a nivel molecular .
• Descubrimiento de fármacos. La obtención de imágenes precisas de proteínas individuales podría revelar cómo se desarrollan las enfermedades a escala molecular y cómo los candidatos a fármacos interactúan con sus dianas, lo que potencialmente permitiría diseñar tratamientos más efectivos .
• Ventaja de proximidad. Debido a que las moléculas de tritil-OX063 no están fijadas en una red cristalina, pueden unirse químicamente o colocarse a pocos nanómetros de la molécula objetivo, ofreciendo un control a nivel molecular sobre la colocación del sensor que las plataformas existentes no pueden igualar .

Estado actual y hoja de ruta

El sensor SQUINT ya puede detectar el estado magnético de aproximadamente 10 espines nucleares . El Dr. Raffi Budakian, quien lideró la investigación, afirmó que el equipo tiene un camino claro para alcanzar la sensibilidad de un solo espín, el paso crítico necesario para mapear la estructura de moléculas individuales . Este trabajo representa un paso práctico hacia el uso de sensores cuánticos para responder preguntas en biología y medicina que han estado fuera del alcance de las técnicas clásicas.