חיישן קוונטי מולקולרי עשוי לראות חלבונים ברמת האטום

ההישג עשוי להתמודד עם אחת הבעיות המרכזיות בחיישנים קוונטיים מולקולריים: המצב הקוונטי שלהם נעלם בדרך כלל מהר מדי מכדי לאפשר מדידה שימושית. באמצעות הארכת זמן הקוהרנטיות לכ־400 מיקרו־שניות ושיטת קריאה המבוססת על ננו־חוטים, החוקרים פתחו אפשרות עתידית להדמיה של חלבונים בודדים ברזולוציה מולקולרית — יכולת שעשויה להשפיע על גילוי תרופות ועל הבנת מבנה החלבונים .

הבעיה: מצב קוונטי שנעלם מהר מדי

ספינים מולקולריים הם מצבים קוונטיים שיכולים לשאת מידע על הסביבה המגנטית שלהם. אולם בחיישנים מולקולריים, הספינים מאבדים בדרך כלל את הקוהרנטיות שלהם בתוך פחות מכ־10 מיקרו־שניות — פרק זמן קצר מדי לביצוע מדידות מורכבות .

צוות ווטרלו התמודד עם האתגר באמצעות שתי פריצות דרך טכנולוגיות:

רצף בקרה חדש לספינים

החוקרים פיתחו גרסה מותאמת של רצף XYXY לניתוק אינטראקציות דיפולריות. הרצף מדכא אינטראקציות בין ספיני אלקטרונים בטווח רחב של שדות בקרה, ובכך מאריך את זמן הקוהרנטיות לכ־400 מיקרו־שניות — בערך פי 60 מהביצועים של טכניקות הד־ספין סטנדרטיות באותה מערכת .

"אחד האתגרים המרכזיים היה לשמור על הקוהרנטיות של ספיני OX063 זמן מספיק כדי שיהיו שימושיים כחיישנים", אמר סהאנד טבטבאיי, דוקטורנט ב־IQC והמחבר הראשון של המאמר .

קריאה מכנית באמצעות ננו־חוטים

במקום למדוד את האות באופן אופטי, כפי שנעשה בחיישנים המבוססים על מרכזי NV ביהלום, פלטפורמת SQUINT קוראת את האות הקוונטי באופן מכני. היא משתמשת בבדיקי ננו־חוט שקוטרם כ־100 ננומטר — בערך בגודלו של נגיף — ואורכם 20 מיקרון, סדר גודל הדומה לקוטרה של שערה אנושית .

לדברי החוקרים, שיטת הקריאה המכנית הזו חדשה בתחום החישה הקוונטית ומאפשרת להציב את החיישן קרוב יותר למולקולת המטרה מאשר חיישנים המבוססים על יהלום .

מדוע המרחק מהחלבון חשוב כל כך?

חיישני מרכזי NV ביהלום כלואים בתוך סריג גבישי. לעומתם, מולקולות trityl-OX063 אינן מקובעות לסריג כזה, ולכן ניתן לחבר אותן כימית למולקולת מטרה או למקם אותן במרחק של כמה ננומטרים ממנה .

הקרבה הזו עשויה להעניק לחיישן שליטה מדויקת יותר על מיקומו — יתרון משמעותי כאשר מנסים למדוד את הסביבה המגנטית של אטומים מסוימים בתוך חלבון יחיד.

הפוטנציאל: מיפוי חלבון יחיד וגילוי תרופות

רבות משיטות ההדמיה המולקולרית הקיימות מתבססות על דגימות גדולות ועל ממוצעים של מספר עצום של מולקולות. לכן הן מתקשות לחשוף את המבנה הייחודי של חלבון בודד. חיישן קוונטי שמסוגל למדוד את הסביבה המגנטית של אטומים בתוך מולקולה יחידה עשוי לאפשר בעתיד מיפוי ישיר של המבנה שלה ברמה המולקולרית .

ליכולת כזו עשויות להיות כמה השלכות:

• הבנת מבנה של חלבונים בודדים: מדידה מקומית של הסביבה המגנטית עשויה לספק מידע שאובד כאשר מנתחים אוסף גדול של חלבונים בממוצע אחד.
• גילוי תרופות: הדמיה מדויקת יותר של חלבונים עשויה לסייע בהבנת האופן שבו מחלות מתפתחות ברמה המולקולרית, ובבחינת האינטראקציה בין מועמדים לתרופות לבין מטרותיהם .
• מיקום חיישן ברמת הננומטר: האפשרות להצמיד את מולקולת החיישן או למקם אותה במרחק של כמה ננומטרים ממולקולת המטרה מעניקה שליטה מרחבית שאינה זמינה באותה צורה בפלטפורמות הקיימות .

היכן הטכנולוגיה עומדת כיום?

פלטפורמת SQUINT מסוגלת כבר לזהות את המצב המגנטי של כ־10 ספינים גרעיניים . ד"ר רפי בודקיאן, שהוביל את המחקר, אמר כי לצוות יש מסלול ברור להגיע לרגישות של ספין יחיד — היעד הקריטי בדרך למיפוי המבנה של מולקולות בודדות .

עם זאת, מדובר עדיין בצעד מחקרי ולא במערכת הדמיה זמינה לשימוש רפואי או תעשייתי. אם החוקרים יצליחו לממש את הרגישות לספין יחיד, חיישנים מולקולריים כאלה עשויים לאפשר לביולוגים ולחוקרי תרופות לשאול שאלות ברמת פירוט ששיטות קלאסיות מתקשות לספק.