Одна молекула, здатна «зазирнути» всередину білка

Головна проблема молекулярних квантових сенсорів полягає в тому, що їхні квантові стани зазвичай втрачають когерентність менш ніж за 10 мікросекунд. Це надто короткий час для точних вимірювань . Команді вдалося збільшити його приблизно до 400 мікросекунд і поєднати молекулярні спіни з механічним зчитуванням на нанодротах. У перспективі це може дати змогу досліджувати окремі білки та їхнє оточення на рівні окремих атомів.

Як вдалося продовжити квантову когерентність

Квантова когерентність — це здатність квантової системи зберігати впорядкований стан, необхідний для сенсорних вимірювань. У новій платформі дослідники застосували два ключові рішення.

Модифікована послідовність дипольного розв’язування XYXY. Вона пригнічує взаємодії між електронними спінами в широкому діапазоні керувальних полів. Завдяки цьому час когерентності зріс приблизно до 400 мікросекунд — орієнтовно у 60 разів порівняно зі стандартними spin-echo-методами в тій самій системі .

«Одним із ключових викликів було зберегти когерентність спінів OX063 достатньо довго, щоб вони стали корисними сенсорами», — зазначив Саханд Табатабаї, аспірант IQC і перший автор дослідження .

Механічне зчитування за допомогою нанодротів. На відміну від сенсорів на основі NV-центрів у алмазі, які використовують оптичне зчитування, SQUINT виявляє квантовий сигнал механічним способом. Нанодроти мають діаметр близько 100 нанометрів — приблизно як вірус — і довжину 20 мікрометрів, що можна порівняти з діаметром людської волосини .

Такий підхід до квантового сенсингу є новим і дає змогу розташовувати сенсор ближче до цільових молекул, ніж це можливо для сенсорів на основі алмазних кристалів .

Чому це важливо для дослідження білків

Trityl-OX063 не «замкнена» всередині кристалічної ґратки, як сенсорні центри в алмазі. Тому молекулу можна хімічно приєднати до потрібної структури або розташувати на відстані кількох нанометрів від неї . Це створює принципову перевагу в контролі над положенням сенсора.

Можливі застосування охоплюють:

• Картографування структури окремих білків. Багато сучасних методів молекулярної візуалізації працюють із великими зразками та усередненими даними, через що не показують унікальну структуру конкретної білкової молекули. Новий підхід може дати змогу вимірювати магнітне оточення окремих атомів усередині одного білка й створювати його молекулярну карту .
• Розробку ліків. Детальніше спостереження за окремими білками може допомогти зрозуміти молекулярні механізми захворювань і те, як потенційні ліки взаємодіють зі своїми мішенями. Це потенційно відкриває шлях до точнішого створення препаратів .
• Точніше розміщення сенсора. Можливість підвести молекулу-сенсор на відстань у кілька нанометрів від мішені дає рівень просторового контролю, якого наявні кристалічні платформи не забезпечують .

На якому етапі перебуває технологія

Наразі сенсор SQUINT може виявляти магнітний стан приблизно 10 ядерних спінів . Керівник дослідження Раффі Будакіан зазначає, що команда бачить чіткий шлях до чутливості на рівні одного спіну — ключової умови для визначення структури окремих молекул .

Отже, йдеться не про готовий інструмент для щоденної діагностики чи розробки препаратів, а про важливий експериментальний крок. Якщо чутливість вдасться підвищити, молекулярні квантові сенсори можуть допомогти біологам і медикам досліджувати процеси, які нині залишаються недоступними для класичних методів.