Nature：量子生物學里程碑！斯坦福團隊首次在活體動物中撥動量子開關，遠程遙控基因表達

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

自旋相關自由基對（SCRP）是一類反應行為受其電子自旋狀態顯著影響的分子實體。這些自旋態可存在于量子相干疊加狀態，使得反應路徑對外部磁場具有極高敏感性。此前，磁場對 SCRP 的影響仍局限于體外實驗或分離生物分子層面，在活體動物中實現針對性調控，始終未獲突破。

2026 年 3 月 18 日，斯坦福大學的研究人員在國際頂尖學術期刊Nature上發表了題為：Magnetic resonance control of spin-correlated radical pair dynamics in vivo 的研究論文。

該研究首次在量子物理學和生物學之間架起了橋梁——在活體多細胞動物中利用磁共振技術成功控制了自旋相關自由基對（SCRP）動力學。該研究不僅驗證了量子效應在復雜生物體內的存在，更為遠程控制生物分子過程（例如基因表達）開辟了全新途徑，還表明了量子工具在生物醫學中具有更廣泛的應用潛力。

總的來說，這項開創性研究揭示了生物調控的一個新維度——通過非侵入性的磁場遠程調控自由基對內電子自旋的微妙相互作用，這不僅豐富了我們對天然環境中自旋化學的理解，還為利用分子層面量子現象的變革性生物醫學技術開辟了新道路。

量子生物學的新里程碑

長期以來，科學家們一直好奇：微弱的磁場如何影響生命系統？候鳥如何利用地球磁場導航數千公里？這些現象背后，可能隱藏著量子力學的秘密。

在微觀世界中，某些化學反應會產生一對特殊的“自由基”——它們就像一對量子糾纏的“雙胞胎”，即使分開，其自旋狀態也保持神秘關聯，這就是自旋相關自由基對（spin-correlated radical pair，SCRP）。

當這對自由基處于特定狀態時，它們可以重組并完成化學反應；處于另一種狀態時，則會“分道揚鑣”。而外部磁場，就像一只無形的手，可以微妙地調整這對“雙胞胎”的狀態比例，從而改變化學反應的結果。更神奇的是，如果在靜態磁場基礎上，再施加特定頻率的射頻磁場，就能像調收音機一樣，精準“撥動”這對量子雙胞胎的狀態——這就是反應產額檢測磁共振技術。

從理論到活體動物的跨越

盡管科學家早在幾十年前就預測并在試管中觀察到了相關現象，但在多細胞生物體內構建工程化的量子敏感系統，一直是個巨大挑戰。

在這項最新研究，來自斯坦福大學的研究團隊選擇了一個巧妙的組合：紅色熒光蛋白（RFP）和黃素輔因子（flavin cofactor）。紅色熒光蛋白是生物學研究的“明星工具”，能讓細胞發出紅色熒光；黃素則是細胞中天然存在的分子。

研究團隊對秀麗隱桿線蟲進行基因改造，使其表達特定的紅色熒光蛋白，當這些蛋白與細胞內的黃素相遇，并在光照條件下，就會形成那個神秘的“量子雙胞胎”——自旋相關自由基對（SCRP）。

精密的量子“遙控器”

為了在活體動物中觀察并控制這種微觀量子效應，研究團隊設計了一套精密的實驗裝置。

他們使用兩組亥姆霍茲線圈產生靜態磁場，同時用一個頻率約 450 MHz 的環形諧振器產生射頻磁場。整個系統就像一個量子“遙控器”，能精確調控線蟲體內的自由基對狀態。

通過寬場熒光成像，研究團隊可以實時觀察紅色熒光蛋白的發光強度變化——這直接反映了自由基對的量子狀態和化學反應產率。

實驗結果令人振奮：當施加合適的靜態磁場時，線蟲體內紅色熒光蛋白的發光強度下降了約 6%；而當疊加特定頻率的射頻磁場時，發光強度又顯著回升。這種變化不是隨機的——它精確發生在電子自旋共振頻率附近，完全符合量子理論預測。

利用射頻磁場對熒光蛋白:黃素系統中紅色熒光蛋白的熒光進行調控

更精細的測量顯示，這些自由基對的量子相干時間超過4 納秒。在室溫、潮濕、復雜的生物體內，量子相干現象曾被認為因太過脆弱或復雜而無法在活細胞中持續存在，而這項研究證明了其不僅可以在室溫、潮濕、復雜的生物體內存在，還可以被控制和利用。

研究團隊還發現了一個有趣現象：不同組織中，磁場的調控作用程度并不相同，在腸道組織中觀察到的效應最強，而在神經元組織中則相對較弱。這可能與不同組織中黃素輔因子的濃度差異有關，也可能反映了不同組織微環境的氧化還原狀態對量子過程的影響。這一發現暗示，未來或許能通過設計組織特異性的量子敏感系統，實現對特定器官或細胞類型的精準調控。

從線蟲到人類的想象

這項研究的真正意義在于，它首次在活體多細胞生物中實現了工程化量子系統的磁共振控制。

想象一下未來的應用場景：醫生可以通過體外施加特定磁場，遠程調控腫瘤細胞中的基因表達，實現無創治療；科學家可以設計對磁場敏感的報告系統，實時監測特定生物過程；甚至可能開發出基于量子效應的新型生物傳感器和成像技術。

這項研究還標志著量子生物學從觀察自然現象，邁向了主動設計、工程化應用的新階段。未來，通過定向進化或理性設計，科學家可能開發出對磁場更敏感、特異性更強的量子蛋白，這些蛋白不僅能作為研究工具，還可能成為連接量子技術與生命系統的橋梁。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10282-4