Учёные Чикагского университета создали биологический кубит на основе флуоресцентного белка. Он способен работать внутри живых клеток как квантовый сенсор, улавливая изменения, недоступные другим приборам. В перспективе технология позволит обнаруживать болезни вроде Альцгеймера задолго до появления симптомов.
Квантовые технологии принято ассоциировать с чем-то холодным, металлическим и глубоко лабораторным. С вакуумными камерами, температурами близкими к абсолютному нулю и кристаллами алмаза. Живая клетка в этой картине не предполагалась.
Тем не менее именно это сделали исследователи из Чикагского университета. Они превратили белок, содержащийся в живых клетках, в полноценный квантовый бит, или кубит, и использовали его как квантовый датчик, способный улавливать ничтожно малые изменения внутри биологических систем. Работа опубликована в журнале Nature и вошла в десятку главных научных прорывов 2025 года по версии Physics World.
Чтобы понять, почему это важно, нужно разобраться с двумя вещами. Первое: что такое кубит. В самом общем смысле это квантовомеханическая система, которая может одновременно находиться в двух разных состояниях. Обычно такие системы создаются в экстремальных условиях, в дефектах кристаллической решётки алмаза или в сверхпроводящих цепях. Второе: что такое флуоресцентный белок. Это широко используемый в клеточной биологии инструмент, который позволяет учёным буквально помечать молекулы внутри клетки и наблюдать за ними под микроскопом. Никакого отношения к квантовым вычислениям он изначально не имел.
Оказалось, что у определённых флуоресцентных белков есть особое квантовое состояние, так называемое триплетное. Исследователи обнаружили, что это состояние можно использовать как кубит для хранения квантовой информации, хотя раньше никто и не пытался применить его таким образом. Группа сосредоточилась на жёлтом флуоресцентном белке. Сначала подтвердили, что квантовое состояние поддаётся считыванию при низких температурах. Затем показали, что это работает и тогда, когда белок экспрессируется в клетках млекопитающих. То есть уже в живой среде.
В отличие от искусственных наноматериалов, белковые кубиты производятся самими клетками, располагаются с атомной точностью и способны обнаруживать сигналы в тысячи раз слабее, чем доступные сейчас квантовые датчики.
Один из руководителей проекта, профессор Дэвид Ошалом, объяснил логику подхода так: «Вместо того чтобы брать обычный квантовый датчик и пытаться замаскировать его под биологическую систему, мы решили исследовать саму биологическую систему и превратить её в кубит».
По его словам, главное направление теперь в том, чтобы использовать саму природу для создания нового класса квантовых сенсоров.
Его коллега, Питер Маурер, говорит о перспективах не менее конкретно: по его словам, квантовые датчики этого типа могут стать ключом к технологии, которая скажет не только где находятся биомолекулы, но и что с ними произошло.
Практическое применение пока звучит как научная фантастика, но исследователи настаивают на реалистичности прогнозов. С помощью биологических сенсоров врачи смогут выявлять трудно поддающиеся диагностике заболевания, например болезнь Альцгеймера, без инвазивных процедур и задолго до появления симптомов. Также речь идёт о нанометровом МРТ на уровне отдельных клеток, о наблюдении за тем, как лекарства связываются с конкретными белками внутри клетки, о слежении за самыми ранними признаками болезни в режиме реального времени.
Пока белковые кубиты уступают по чувствительности лучшим существующим датчикам на основе алмазных дефектов. Но поскольку их можно генетически закодировать в живые системы, они открывают нечто принципиально иное: возможность наблюдать за биологией на квантовом уровне, от сворачивания белков и активности ферментов до первых признаков болезни.
Есть и обратный эффект, о котором говорит Маурер. Поскольку сенсор генетически запрограммирован, можно улучшать характеристики кубита методом направленной эволюции: изменять лежащий в основе ген белка и отбирать наиболее стабильные варианты. Грубо говоря, можно выращивать лучшие квантовые компоненты биологическим способом. Это совсем другая логика по сравнению с тем, как квантовые системы создавались раньше.
Соавтор работы Бенджамин Солоуэй сформулировал суть сдвига точно: «Флуоресцентная микроскопия позволяет видеть биологические процессы, но то, что происходит на наноуровне, приходилось угадывать. Теперь впервые мы можем напрямую измерять квантовые свойства внутри живых систем».
Источник: ФишкаРу.