“量子蛋白”可能成為生物學的下一個大熱門

晶體水母有一種特殊的視覺美感：由于天然蛋白質，它們會發出淡淡的綠色光芒。幾十年來，研究人員一直利用這種綠色熒光蛋白和類似分子點亮生物學領域，追蹤細胞內部的動態。經過量子升級的熒光蛋白有望在細胞內部提供前所未有的視角。

量子計算機終于派上用場來揭示背后的原因

現在，這些無處不在的技術正受到重視：其中包括量子特性的利用，使其類似于量子計算的基本部分。芝加哥大學伊利諾伊大學的量子工程師彼得·莫勒表示：*這些大家都用作熒光標記的熒光蛋白實際上可以變成量子比特。這個想法聽起來非常科幻。但這種物理學并不新鮮，這種方法已經被證明在原則上是可行的。

熒光蛋白標記目前是全球生物學實驗室中最重要的工具之一。它們可以監測蛋白質的位置和活性，感知細胞內的狀況，檢查藥物候選是否針對正確部位，并執行一系列其他任務。但研究人員表示，加入量子元素帶來了新鮮且令人興奮的可能性。

量子傳感器能夠探測磁場且極為靈敏，因此蛋白質版本可能能夠捕捉到神經元放電或離子流動產生的微小信號，或發現暗示細胞應激或早期癌癥跡象的極少量自由基。研究人員可以遠程開關這些基于蛋白質的量子傳感器，使其成為新成像技術和療法的有用工具。

這項工作屬于生物應用量子傳感的一個更大領域，觀察者認為該領域正處于熱門階段且發展迅速。盡管蛋白質量子傳感器的發展仍處于早期階段，但相關研究人員表示，目前并無太大障礙：一些可用于此類用途的蛋白質是現成的，且作設備的標準配置。

量子物理目前正經歷第二次革命。在20世紀初，物理學家開始揭示量子世界的奇異性質，比如疊加態，即某物同時存在于多個態，以及糾纏，量子態神秘地連接在一起。如今，在第二次革命中，研究人員有意控單個量子屬性，為計算、通信和傳感等信息密集、高精度應用打開大門。

量子計算需要量子比特——量子信息的基本單位——不受周圍世界干擾。相比之下，量子傳感依賴于受外部因素影響的量子比特，這些量子比特以特定方式可以被測量。例如，磁共振成像（MRI）通過控和測量人體氫核中的一種稱為自旋的量子特性來生成圖像。超導量子干涉裝置（SQUIDs）用于在醫院的腦磁圖掃描中檢測大腦中的磁場。

NV鉆石

目前最廣泛使用的量子傳感器之一是“NV鉆石中心”——即鉆石晶體中的一個缺陷，其中一個碳原子被氮（N）取代，且鄰近的碳缺失，形成空位（V）。該中心電子的自旋態可以通過微波和激光控，磁場、溫度及其他環境因素以精確且易于理解的方式影響電子發射的光。這些傳感器極其靈敏、多功能且即使在室溫下也穩定——不同于許多需要極低溫度的量子比特系統。如今，NV鉆石片或納米級晶體被用于實驗室和一些商業產品中，主要用于物理科學領域——例如用于繪制半導體性能圖譜。

相比之下，生物科學應用更難開發，因為生命系統“溫暖且混亂”，Jayich的實驗室專注于NV鉆石。

但這個領域正在回升。例如，它是芝加哥大學量子研究所的少數重點領域之一，并于2023年獲得美國國家科學基金會的資助。它也是英國量子生物醫學傳感研究中心的唯一重點，該中心于2024年12月啟動。

對此，倫敦大學學院物理學家、該研究中心聯合主任約翰·莫頓稱：“我們正處于量子技術的一個非常激動人心的時刻，許多實驗室演示正處于開啟應用的階段。

例如，研究團隊正在研究如何利用NV鉆石進行納米級MRI1或改進用于追蹤手術中磁性示蹤的工具2. 通過調整鉆石晶體的外部，使其與血漿樣本中的特定分子結合，研究人員開發出了比標準診斷高出10萬倍靈敏度的實驗性HIV檢測。

一些研究人員正在研究NV鉆石的新用途，嘗試將鉆石量子傳感器放入細胞內。

但NV鉆石傳感器有局限性：它們通常笨重，大約是蛋白質的十倍大，而且很難精確定位。相比之下，熒光蛋白體積小，可以通過基因工程技術在細胞內精確生成，使其與研究人員在研究的物質中獲得巨大的收益。

量子發光

大約十年前，芝加哥量子研究所所長大衛·奧沙洛姆和他的同事們開始思考是否能找到能作為量子比特的分子。他希望這樣的量子比特能通過化學可靠地產生，而不是用鉆石或半導體雕刻而成。2020年，他的團隊在科學雜志上報告了它能讓合成的有機金屬分子表現得像量子比特，他的團隊很快也對其他分子做了同樣的實驗。

這項工作促使奧沙洛姆與毛勒合作，后者將物理知識應用于生物成像領域，致力于尋找可能實現同樣效果的生物分子。

他們將重點放在“增強黃色熒光蛋白”（EYFP）上，這是一種現成產品，生物學家經過增強，使其發出明亮的黃色光芒。從物理學角度看，這種分子的電子能量結構與現有量子比特相似。

用綠色熒光蛋白標記會使該腦組織中的神經細胞發光

熒光蛋白在電子被激光激發時會發光，然后回落到放松的能量態。生物學家通常會將熒光蛋白標簽的遺傳指令插入感興趣蛋白質的代碼旁邊。然后，如果目標蛋白被表達，標簽也會被表達：用激光照射樣本，它會像圣誕樹一樣亮起來。也有不同顏色的變體。蛋白質工程師們也正在不斷開發有用的傳感器版本：例如，它們的光可以受到細胞內pH或機械力的影響，或者鈣離子的存在（對細胞信號傳導至關重要），以及參與磷酸化的激酶酶（磷酸化是蛋白質活性的重要開關）。然而，沒有量子升級的熒光蛋白無法探測磁場。

在極少數情況下，這些熒光蛋白中的激發電子會轉變為一種亞穩態、非熒光態，稱為三重態（因其三種自旋構型而得名）。這會導致燈光變暗或閃爍。“人們知道會發生這種情況，但他們討厭它，因為這會讓你的熒光燈燈光不那么亮，”莫勒說。對他來說，這反而是優勢，而非煩惱，因為三重態使自旋的相干疊加態能夠產生——這也成為一個潛在有用的量子傳感器。NV鉆石量子傳感器也依賴三重態。團隊證明，量子傳感器在室溫下的活細菌細胞中有效。

利用激光光和微波將EYFP置于所需的量子疊加態是一項相對簡單的任務。他說，一旦團隊理解了相關量子態的能級，“第二天，它就開始工作了”。正如預期的那樣，熒光受到磁場影響，磁場強度變化約30%。團隊證明，量子傳感器在室溫下對活細菌細胞中有效。研究人員對他們開發熒光蛋白，并從量子傳感器直接探測電磁場的能力尤其感到興奮。