Tek Bir Molekül, Kuantum Sensörlerinde Yeni Bir Dönem Başlatabilir

Kuantum uyumluluğu neden önemli?

Moleküler spinler, yani ölçüm bilgisini taşıyan kuantum durumları, çoğu sistemde yaklaşık 10 mikrosaniyeden kısa sürede uyumluluğunu kaybediyor. Bu kadar kısa bir süre, hassas bir ölçüm gerçekleştirmek için yetersiz kalabiliyor .

Araştırmacılar bu sorunu iki teknik yenilikle aşmaya çalıştı:

Değiştirilmiş XYXY dipol ayrıştırma dizisi: Ekip, elektron-elektron dipol etkileşimlerini farklı kontrol alanları boyunca bastıran yeni bir kontrol dizisi geliştirdi. Böylece uyumluluk süresi yaklaşık 400 mikrosaniyeye uzatıldı. Bu değer, aynı sistemdeki standart spin yankısı tekniklerine kıyasla yaklaşık 60 kat daha uzun .

IQC doktora öğrencisi ve çalışmanın ilk yazarı Sahand Tabatabaei, temel zorluğun OX063 spinlerini sensör olarak işe yarayacak kadar uzun süre uyumlu tutmak olduğunu belirtti .

Nanotel tabanlı mekanik okuma: Elmas içindeki nitrojen-boşluk merkezli sensörlerde kullanılan optik okuma yerine SQUINT, kuantum sinyalini mekanik olarak algılıyor. Sistemdeki nanotel probları yaklaşık 100 nanometre çapında; bu, kabaca bir virüsün boyutuyla karşılaştırılabilir. Probların uzunluğu ise 20 mikrometre, yaklaşık bir insan saç telinin çapı kadar .

Bu mekanik okuma yaklaşımı, sensörün hedef moleküllere elmas tabanlı sistemlere göre daha yakın konumlandırılmasına olanak tanıyor .

Tek proteinleri incelemek neden önemli?

Bugün kullanılan birçok moleküler görüntüleme yöntemi, çok sayıda örnekten alınan ortalama sinyallere dayanıyor. Bu nedenle tek bir proteinin kendine özgü yapısını doğrudan ayırt etmek zor. SQUINT’in hedefi ise tek bir protein içindeki atomların manyetik çevresini ölçerek molekülün yapısını doğrudan haritalayabilmek .

Bu yaklaşımın özellikle iki alanda etkili olması bekleniyor:

• Tek proteinlerin yapısal haritalanması: Bir proteinin hangi atomlardan oluştuğunu ve bu atomların birbirine göre nasıl konumlandığını moleküler ölçekte incelemek mümkün olabilir .
• İlaç keşfi: Tek proteinlerin daha hassas görüntülenmesi, hastalıkların moleküler düzeyde nasıl geliştiğini ve aday ilaçların hedef proteinlerle nasıl etkileştiğini anlamaya yardımcı olabilir. Bu da daha etkili tedavilerin tasarlanmasına katkı sağlayabilir .

Trityl-OX063 molekülleri bir elmas kristal kafesine sabitlenmiş değil. Bu nedenle kimyasal olarak hedef moleküle bağlanabilecek veya hedefin birkaç nanometre yakınına yerleştirilebilecek bir sensör olarak tasarlanabiliyor. Araştırmacılara göre bu yakınlık, sensörün konumunu moleküler ölçekte kontrol etme açısından önemli bir avantaj sunuyor .

Sistem şu anda ne yapabiliyor?

SQUINT sensörü şu aşamada yaklaşık 10 nükleer spinin manyetik durumunu algılayabiliyor . Araştırmaya liderlik eden Dr. Raffi Budakian, ekibin tek-spin duyarlılığına ulaşmak için belirgin bir geliştirme rotasına sahip olduğunu söyledi .

Tek-spin duyarlılığı, tek bir molekülün yapısını atomik düzeyde haritalamak için kritik eşik olarak görülüyor. Bu nedenle çalışma henüz doğrudan kullanılabilir bir ilaç keşfi aracı sunmaktan çok, kuantum sensörlerinin biyoloji ve tıpta klasik yöntemlerle yanıtlanamayan sorulara uygulanabilmesi için önemli bir teknik adım niteliğinde.