Een enkel molecuul als quantumsensor voor individuele eiwitten

Waarom quantumcoherentie zo belangrijk is

De spins van moleculen bevatten de informatie die een quantumsensor meet. In veel moleculaire systemen verliezen die spins hun coherentie — de samenhangende quantumtoestand die nodig is voor een betrouwbare meting — al binnen ongeveer 10 microseconden. Dat is doorgaans te kort om er praktisch mee te kunnen meten .

Het team pakte dat probleem op twee manieren aan.

Een aangepaste besturingsreeks

De onderzoekers ontwikkelden een aangepaste XYXY-dipool-decouplingreeks. Die onderdrukt interacties tussen elektronen over een breed bereik van besturingsvelden. Hierdoor bleef de sensor ongeveer 400 microseconden coherent: ruwweg 60 keer langer dan met standaard spin-echo-technieken in hetzelfde systeem .

“Een belangrijke uitdaging was om de OX063-spins lang genoeg coherent te houden om ze als sensor te kunnen gebruiken”, zei Sahand Tabatabaei, promovendus bij het IQC en eerste auteur van het onderzoek .

Mechanische uitlezing met nanodraden

In plaats van een optische uitlezing, zoals bij quantum sensoren met diamant en stikstofvacatures — de zogenoemde NV-centra — gebruikt SQUINT een mechanische detectiemethode. Nanodraden meten de quantumsignalen. De sondes zijn ongeveer 100 nanometer dik, vergelijkbaar met de grootte van een virus, en circa 20 micrometer lang, ongeveer de diameter van een mensenhaar .

Volgens de onderzoekers is deze mechanische uitlezing nieuw binnen quantum sensing. Ze maakt het bovendien mogelijk om de sensor dichter bij een doelmolecuul te brengen dan bij sensoren die in een diamantkristal zijn ingebouwd .

Wat dit kan betekenen voor eiwitten en medicijnen

Een belangrijk voordeel van trityl-OX063 is dat het molecuul niet vastzit in een kristalrooster. Het kan chemisch worden bevestigd of op enkele nanometers van een doelmolecuul worden geplaatst. Daardoor ontstaat veel meer controle over de positie van de sensor .

Dat kan op termijn drie belangrijke toepassingen opleveren:

• Structuur van afzonderlijke eiwitten in kaart brengen. Veel huidige beeldvormingstechnieken werken met grote hoeveelheden materiaal en leveren daardoor een gemiddeld beeld op. Een sensor op nanoschaal zou de magnetische omgeving van individuele atomen in één eiwit kunnen meten en zo een directe structurele kaart op moleculair niveau kunnen opleveren .
• Gerichtere geneesmiddelenontwikkeling. Als onderzoekers beter kunnen zien hoe een afzonderlijk eiwit zich gedraagt en hoe een kandidaat-geneesmiddel eraan bindt, kan dat inzicht geven in ziekteprocessen en in de manier waarop behandelingen hun doelwit bereiken .
• Nauwkeurige plaatsing van de sensor. Doordat trityl-OX063 niet aan een diamantrooster gebonden is, kan het molecuul dichter bij het te onderzoeken object worden gebracht dan bestaande kristalgebaseerde sensoren .

Nog geen volledige single-spinmeting

De techniek bevindt zich nog in een vroege onderzoeksfase. De SQUINT-sensor kan momenteel de magnetische toestand van ongeveer tien kernspins detecteren . Volgens onderzoeksleider Raffi Budakian is er wel een duidelijk ontwikkelingstraject richting gevoeligheid voor één enkele spin. Dat is de noodzakelijke volgende stap om de structuur van individuele moleculen rechtstreeks in kaart te brengen .

De resultaten vormen daarmee vooral een praktische stap vooruit: niet een voltooide methode voor het routinematig afbeelden van afzonderlijke eiwitten, maar een nieuwe quantumtechniek die dat doel dichterbij brengt.