Sensor Quântico de Molécula Única Bate Recorde de Coerência e Permite Ver Dentro de Proteínas Individuais

O Desafio da Coerência e a Solução

Os spins moleculares, os estados quânticos que carregam a informação de sensoriamento, normalmente perdem a coerência em menos de ~10 microssegundos — tempo curto demais para realizar medições úteis . A equipe de Waterloo resolveu isso com duas inovações principais:

Uma sequência modificada de desacoplamento dipolar XYXY. Essa nova sequência de controle suprime as interações dipolares elétron-elétron em uma ampla gama de campos de controle, estendendo os tempos de coerência para ~400 microssegundos — aproximadamente 60 vezes mais do que as técnicas padrão de spin-echo no mesmo sistema . "Um dos principais desafios era manter os spins do OX063 coerentes por tempo suficiente para torná-los úteis como sensores", disse Sahand Tabatabaei, candidato a PhD no IQC e primeiro autor do artigo .

Leitura mecânica baseada em nanofios. Em vez da leitura óptica usada em sensores de centro NV de diamante, a plataforma SQUINT detecta sinais quânticos mecanicamente. As sondas de nanofio têm 100 nm de diâmetro (aproximadamente o tamanho de um vírus) e 20 micrômetros de comprimento (aproximadamente o diâmetro de um fio de cabelo) . Essa abordagem de detecção mecânica é totalmente nova para sensoriamento quântico e permite que o sensor seja colocado muito mais próximo das moléculas-alvo do que os sensores baseados em diamante conseguem .

Implicações para Imagem de Proteínas Individuais e Descoberta de Medicamentos

A capacidade de posicionar uma molécula de sensor diretamente adjacente a um alvo — sem estar presa em uma rede cristalina, como os centros NV de diamante — dá ao trityl-OX063 uma vantagem fundamental de proximidade . Os pesquisadores vislumbram várias aplicações poderosas:

• Mapeamento da estrutura de uma única proteína. As técnicas atuais de imageamento molecular exigem grandes amostras médias e não conseguem revelar a estrutura única de uma única proteína. Essa técnica pode medir o ambiente magnético de átomos individuais dentro de uma única proteína, permitindo o mapeamento estrutural direto em nível molecular .
• Descoberta de medicamentos. O imageamento preciso de proteínas individuais pode revelar como as doenças se desenvolvem em escala molecular e como os candidatos a medicamentos interagem com seus alvos, potencialmente permitindo o desenvolvimento de tratamentos mais eficazes .
• Vantagem de proximidade. Como as moléculas de trityl-OX063 não estão presas em uma rede cristalina, elas podem ser quimicamente ligadas ou posicionadas a poucos nanômetros da molécula-alvo, oferecendo controle em nível molecular sobre o posicionamento do sensor que as plataformas existentes não conseguem igualar .

Status Atual e Próximos Passos

O sensor SQUINT já consegue detectar o estado magnético de cerca de 10 spins nucleares . O Dr. Raffi Budakian, que liderou a pesquisa, disse que a equipe tem um caminho claro para atingir a sensibilidade de spin único — o passo crítico necessário para mapear a estrutura de moléculas individuais . O trabalho representa um passo prático em direção ao uso de sensores quânticos para responder perguntas em biologia e medicina que estavam fora de alcance com técnicas clássicas.