À base de protéines bits quantiques (Qubits) pourrait être la clé pour accélérer la recherche biologique à la plus petite échelle, grâce à une nouvelle percée scientifique.
Des chercheurs de l’Université de Chicago ont découvert un moyen de transformer une protéine fluorescente en un qubit biologique qui peut être construit directement à l’intérieur d’une cellule, puis utilisé comme moyen de détecter les signaux magnétiques et électriques dans la cellule. Cette percée a été détaillée dans un article publié le 20 août dans la revue Nature.
« Nos résultats permettent non seulement de nouvelles façons de détection quantique à l’intérieur des systèmes de vie, mais introduisent également une approche radicalement différente de la conception de matériaux quantiques », a déclaré Peter Maurerenquêteur co-principale et professeur adjoint de génie moléculaire à Uchicago, dans un déclaration. « Plus précisément, nous pouvons maintenant commencer à utiliser les propres outils d’évolution et d’auto-assemblage de la nature pour surmonter certains obstacles auxquels sont confrontés la technologie quantique basée sur le spin. »
En développant des qubits biologiques qui peuvent être déployés à l’intérieur de cellules à l’aide de protéines existantes déjà utilisées en microscopie, cette recherche contourne la nécessité de moderniser les dispositifs quantiques existants pour travailler dans des systèmes biologiques. Cela pourrait éventuellement conduire à des capteurs quantiques qui n’ont pas besoin du refroidissement et de l’isolement extrêmement nécessaires pour la technologie quantique.
Résultats fluorescents
Les protéines fluorescentes, qui peuvent être trouvées dans une variété d’organismes marins, absorbent la lumière à une longueur d’onde et l’émettent à une autre longueur d’onde plus longue; C’est, par exemple, ce qui donne à certaines méduses la capacité de briller. En tant que tels, ils sont utilisés par les biologistes pour étiqueter les cellules à travers le codage génétique et dans la fusion des protéines.
Les chercheurs ont constaté que le fluorophore de ces protéines, qui permet l’immitance de la lumière, peut être utilisé comme qubits en raison de leur capacité à avoir un état de triplet métastable. C’est là qu’une molécule absorbe la lumière et transitions en un état excité avec deux de ses électrons les plus énergétiques dans une rotation parallèle. Cela dure une brève période avant la décomposition. En termes mécaniques quantiques, la molécule est dans une superposition de plusieurs états à la fois jusqu’à ce que directement observé ou perturbé par une interférence externe.
Pour exploiter cela, les chercheurs ont développé une coutume microscope confocal – Un système optique, comprenant une série de lentilles et de miroirs, qui utilise la lumière laser pour produire des images à haute résolution d’échantillons biologiques – pour aborder optiquement l’état de spin de protéine fluorescente jaune améliorée (EYFP) et l’utiliser comme qubit dans la protéine purifiée, une bactérie rénale et e.coli humaine.
Le microscope laser a initialement utilisé une impulsion optique de 488 nanomètres pour induire un état de rotation dans l’EYFP. Une impulsion laser presque infrarouge a ensuite déclenché une lecture de l’état de spin triplet avec « jusqu’à 20% de contraste de spin » – ce qui signifie que les chercheurs pourraient voir suffisamment de différences dans les états de spin pour utiliser la protéine comme qubit de travail.
Une fois le spin initialisé, les chercheurs ont utilisé des micro-ondes pour maintenir le rotation dans une oscillation cohérente entre deux niveaux – ainsi la protéine s’est comportée comme un qubit pendant environ 16 microsecondes avant la décomposition de l’état du triplet.
Percée biologique
Observer comment les électrons implactent d’être frappés par un laser signifie que le qubit biologique peut être utilisé comme capteur quantique, ramassant ce qui se passe à l’intérieur d’une cellule.
Cela pourrait donner un aperçu des fonctions biologiques à l’échelle nanométrique, comme le repliement des protéines, le suivi des réactions biochimiques dans les cellules et surveillant comment les médicaments se lient aux cellules cibles et aux protéines, ont déclaré les scientifiques dans l’étude. Cela pourrait également conduire à des progrès en matière d’imagerie médicale et à la détection précoce des voies de la maladie.
Bien que le qubit biologique puisse secouer la détection biologique et ouvrir de nouvelles façons de créer des capteurs quantiques, il y a encore des obstacles à surmonter.
Pour manipuler efficacement l’état de spin de la protéine fluorescente, il devait être conservé à des températures liquides azotés. Et tandis que le qubit biologique a prouvé qu’il pouvait être utilisé efficacement dans l’environnement complexe d’une cellule de mammifère – une partie importante de la percée – elle devait encore être refroidie à une température de 175 Kelvin (–98,15 degrés Celsius). À température ambiante, cette technique fonctionne toujours dans les cellules bactériennes, avec les chercheurs détectant optiquement la résonance magnétique, mais uniquement avec un contraste allant jusqu’à 8%, et avec une déplétion rapide de l’état de spin EYFP.
La sensibilité des capteurs quantiques biologiques est également à la traîne des capteurs à l’état solide, tels que ceux fabriqués à partir de défauts de diamant. Il reste donc du travail à faire sur la stabilité et la sensibilité avant que les qubits biologiques et les capteurs quantiques dans les cellules puissent devenir des outils pratiques à utiliser en biologie et en médecine.
Mais il s’agit d’une percée qui est allée au-delà de l’étape de la preuve de concept, et le fait de coder un qubit directement dans une cellule ouvre une nouvelle avenue pour la technologie quantique, où les limites entre la physique quantique et la biologie sont floues.
