Pojedyncza cząsteczka jako czujnik kwantowy. Nowy rekord koherencji może pomóc zajrzeć do wnętrza białek

Znaczenie eksperymentu nie sprowadza się jednak tylko do użycia nowej cząsteczki. Badacze rozwiązali jeden z podstawowych problemów molekularnych czujników kwantowych: ich stany kwantowe zwykle zanikają zbyt szybko, by można było wykonać użyteczny pomiar. W przypadku trityl-OX063 udało się wydłużyć czas koherencji do około 400 mikrosekund. To może otworzyć drogę do badania pojedynczych cząsteczek biologicznych, w tym białek.

Dlaczego koherencja jest tak ważna?

W czujniku kwantowym informacja pomiarowa jest zapisana w stanie kwantowym, między innymi w spinie elektronu. Problem polega na tym, że oddziaływania z otoczeniem szybko niszczą uporządkowanie tego stanu. W przypadku spinów molekularnych koherencja zazwyczaj utrzymuje się krócej niż około 10 mikrosekund — zbyt krótko, aby prowadzić precyzyjne pomiary .

Zespół z Waterloo zastosował dwa kluczowe rozwiązania:

• Zmodyfikowaną sekwencję rozprzęgania dipolarnego XYXY. Sekwencja sterowania ogranicza oddziaływania dipolowe między elektronami w szerokim zakresie pól kontrolnych. W rezultacie czas koherencji wzrósł do około 400 mikrosekund, czyli mniej więcej 60 razy więcej niż w przypadku standardowych technik spin echo w tym samym układzie .
• Mechaniczny odczyt z wykorzystaniem nanodrutów. Zamiast optycznego odczytu, stosowanego na przykład w czujnikach wykorzystujących centra NV w diamencie, platforma SQUINT wykrywa sygnał mechanicznie. Użyte sondy mają około 100 nanometrów średnicy — mniej więcej tyle co wirus — oraz około 20 mikrometrów długości, czyli w przybliżeniu tyle, ile wynosi średnica ludzkiego włosa .

Jak wyjaśnił Sahand Tabatabaei, doktorant IQC i pierwszy autor publikacji, jednym z głównych wyzwań było utrzymanie spinów OX063 w stanie koherentnym na tyle długo, by mogły pełnić funkcję czujników .

Co wyróżnia platformę SQUINT?

W klasycznych czujnikach opartych na centrach NV sensor jest osadzony w strukturze krystalicznej diamentu. Cząsteczki trityl-OX063 nie są w ten sposób unieruchomione. Można je więc przyłączyć chemicznie do badanego obiektu lub umieścić w odległości kilku nanometrów od niego .

Ta bliskość ma zasadnicze znaczenie: im mniejsza odległość między czujnikiem a celem, tym łatwiej wykryć bardzo słabe sygnały magnetyczne. Mechaniczny odczyt z nanodrutów pozwala dodatkowo zbliżyć sondę do badanej cząsteczki niż rozwiązania oparte na większych, sztywnych strukturach diamentowych .

Perspektywa obrazowania pojedynczych białek

Dzisiejsze metody obrazowania molekularnego często opierają się na dużych próbkach i uśredniają sygnał po wielu podobnych cząsteczkach. Utrudnia to dostrzeżenie różnic w strukturze pojedynczego białka.

Czujnik molekularny taki jak trityl-OX063 mógłby w przyszłości mierzyć lokalne środowisko magnetyczne atomów znajdujących się w obrębie pojedynczego białka. To stworzyłoby możliwość bezpośredniego mapowania jego struktury na poziomie molekularnym . Nie oznacza to jeszcze, że technologia rutynowo obrazuję pojedyncze białka — obecne wyniki są etapem prowadzącym do takiej czułości.

Potencjalne zastosowania obejmują między innymi:

• badanie struktury pojedynczych białek i obserwowanie ich indywidualnych cech, których nie widać w pomiarach uśrednionych;
• odkrywanie leków, ponieważ dokładniejsze obrazy białek mogłyby pomóc analizować, jak rozwijają się procesy chorobowe oraz jak kandydaci na leki wiążą się z celami molekularnymi ;
• precyzyjne pozycjonowanie czujnika, dzięki możliwości umieszczenia cząsteczki w pobliżu badanego obiektu zamiast zamykania jej w sieci krystalicznej .

Technologia jest obiecująca, ale do celu pozostał ważny krok

Platforma SQUINT potrafi obecnie wykrywać stan magnetyczny około 10 spinów jądrowych . Kierujący badaniami Raffi Budakian wskazuje jednak, że zespół ma określoną drogę do osiągnięcia czułości na pojedynczy spin. To właśnie ten etap będzie kluczowy, jeśli czujnik ma umożliwić szczegółowe odtwarzanie struktury pojedynczych cząsteczek .

Praca University of Waterloo nie jest więc jeszcze gotowym narzędziem do projektowania leków ani pełnoprawnym mikroskopem pojedynczych białek. Jest natomiast praktycznym krokiem w stronę kwantowych pomiarów biologicznych, które mogą ujawnić informacje niedostępne dla klasycznych technik.