Läpimurto ei tarkoita vielä valmista työkalua yksittäisten proteiinien rutiininomaiseen kuvantamiseen. Se kuitenkin ratkaisee yhden molekyylipohjaisten kvanttianturien keskeisistä ongelmista: kvanttitila säilyy riittävän pitkään, jotta sitä voidaan käyttää mittaukseen.
Molekyylin spin toimii anturin kantamana kvanttitilana. Kun koherenssi katoaa, myös mittaukseen tarvittava kvanttitieto häviää. Tällaiset molekyylispinit menettävät koherenssinsa yleensä alle noin 10 mikrosekunnissa, mikä rajoittaa niiden käyttökelpoisuutta .
Waterloon tutkijat pidensivät ajan noin 400 mikrosekuntiin kahdella toisiaan täydentävällä ratkaisulla.
Tutkijat kehittivät muokatun XYXY-dipolaarisen irtikytkennän sekvenssin. Se vaimentaa elektronien välisten dipolaaristen vuorovaikutusten vaikutusta laajalla ohjauskenttien alueella. Näin molekyylin kvanttitila säilyy noin 400 mikrosekuntia – suunnilleen 60 kertaa pidempään kuin tavanomaisilla spin-kaikumenetelmillä samassa järjestelmässä .
”Yksi keskeisistä haasteista oli pitää OX063-spinit koherentteina riittävän pitkään, jotta niistä olisi hyötyä antureina”, sanoi väitöskirjatutkija Sahand Tabatabaei, joka on tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja .
Monissa tunnetuissa kvanttiantureissa, kuten timantin typpivakanssikeskuksiin eli NV-keskuksiin perustuvissa antureissa, signaali luetaan optisesti. SQUINT-alustassa signaali havaitaan sen sijaan mekaanisesti nanolangan avulla .
Käytetyt nanolangat ovat halkaisijaltaan noin 100 nanometriä – suunnilleen viruksen kokoluokkaa – ja noin 20 mikrometriä pitkiä, eli suunnilleen ihmisen hiuksen halkaisijan mittaisia . Mekaaninen lukutapa on kvanttianturoinnissa uudenlainen. Sen ansiosta anturimolekyyli voidaan sijoittaa kohteen lähelle ilman, että se on sidottu timantin kaltaiseen kidehilaan .
Trityl-OX063-molekyylin tärkeä etu on sen sijoitettavuus. Kun anturi ei ole lukkiutunut kiinteään kiderakenteeseen, se voidaan kemiallisesti kiinnittää tai muuten asemoida muutaman nanometrin päähän tutkittavasta molekyylistä .
Etäisyys on tässä ratkaiseva: mitä lähemmäs anturi pääsee kohdetta, sitä pienemmän alueen magneettista ympäristöä se voi tutkia. Tämä avaa mahdollisuuden mitata yksittäisten atomien ympärillä olevia magneettisia kenttiä yksittäisessä proteiinissa – jos mittaustarkkuutta saadaan vielä kasvatettua .
Nykyiset monet molekyylikuvantamisen menetelmät perustuvat suuriin näytemääriin ja niiden tuottamaan keskiarvoon. Tällöin yksittäisten proteiinimolekyylien väliset erot voivat hämärtyä. SQUINT-teknologia voisi tulevaisuudessa auttaa kartoittamaan yhden proteiinin rakennetta molekyylitasolla mittaamalla sen yksittäisten atomien magneettista ympäristöä .
Jos tutkijat pystyvät näkemään tarkemmin, miten sairauteen liittyvä proteiini muuttuu tai miten lääkeaine sitoutuu sen kohteeseen, lääkekandidaattien suunnitteluun voidaan saada nykyistä yksityiskohtaisempaa tietoa. Tämä voisi pitkällä aikavälillä auttaa kehittämään tehokkaampia hoitoja . Kyse on kuitenkin mahdollisesta tulevasta sovelluksesta, ei vielä kliinisestä menetelmästä.
SQUINT-anturi pystyy jo havaitsemaan noin kymmenen tumaspinin magneettisen tilan . Tutkimusta johtaneen tohtori Raffi Budakianin mukaan tiimillä on selkeä etenemispolku kohti yksittäisen spinin havaitsemista .
Yksittäisen spinin herkkyys olisi tärkeä rajapyykki, koska se voisi mahdollistaa yksittäisten molekyylien rakenteen aiempaa suoremman kartoittamisen. Ennen sitä tekniikka vaatii kuitenkin lisää kehitystyötä mittaustarkkuuden, anturin sijoittelun ja biologisten näytteiden kanssa työskentelyn osalta.
Waterloon tutkimus on siten ennen kaikkea käytännöllinen askel kohti kvanttiantureita, jotka voisivat vastata biologian ja lääketieteen kysymyksiin molekyylitasolla – alueella, jolla perinteiset menetelmät joutuvat usein turvautumaan suurten näytejoukkojen keskiarvoihin.