Nature重磅：量子生物學重大突破

來源：一直奇怪

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。

該研究首次在活體多細胞動物中利用磁共振技術精準調控自旋相關自由基對（SCRP）的動力學過程，成功架起量子物理學與生物學之間的橋梁，為生物分子過程的遠程、非侵入式操控開辟了全新路徑。

長期以來，科學家們一直好奇微弱磁場如何影響生命系統，候鳥遷徙時如何借助地球磁場導航數千公里，這些自然現象背后，始終隱藏著量子力學的神秘密碼。自旋相關自由基對（SCRP）作為一類特殊的分子實體，由兩個帶有未配對電子的自由基組成，其電子自旋狀態存在量子相干疊加特性，使得這類自由基對的反應路徑對外部磁場具有極高的敏感性。

此前，磁場對SCRP的調控研究僅局限于體外實驗或分離生物分子層面，如何在復雜的活體多細胞生物體內構建工程化的量子敏感系統，并實現精準調控，一直是困擾該領域科學家的核心難題。

本次研究由斯坦福大學多學科團隊合作完成，研究人員來自物理系、化學系、電氣工程系、生物系、結構生物學系等多個領域，還聯合了SLAC國家加速器實驗室及Calico生命科學公司的科研人員，形成了跨學科的研究合力。研究團隊以秀麗隱桿線蟲為實驗模型，通過基因工程手段，構建了一套基于紅色熒光蛋白（RFP）與黃素輔因子的工程化系統，成功實現了活體動物內SCRP動力學的磁共振調控。

實驗設計的核心的是構建具有磁場響應特性的生物傳感器。研究團隊選擇紅色熒光蛋白（尤其是mScarlet型號）作為報告分子，這類蛋白是生物學研究中常用的“明星工具”，其發光強度可直接反映分子反應的動態變化；同時選用細胞內天然存在的黃素輔因子作為配對分子，黃素的未配對電子可與紅色熒光蛋白中的特定氨基酸殘基形成自旋相關自由基對。當受到光照激發時，這兩種分子會形成量子糾纏的“自由基對雙胞胎”，其自旋狀態的變化會直接影響紅色熒光蛋白的發光效率，為研究人員提供了可視化的觀測指標。

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

為了實現對活體動物內SCRP的精準調控，研究團隊設計了一套精密的磁共振實驗裝置。該裝置由兩組亥姆霍茲線圈和一個環形諧振器組成，前者用于產生穩定的靜態磁場，后者則產生頻率約450 MHz的射頻磁場，兩者協同作用，構成了一套可精準調控的量子“遙控器”。研究人員通過寬場熒光成像技術，實時監測秀麗隱桿線蟲體內紅色熒光蛋白的發光強度變化，以此追蹤SCRP的量子狀態和化學反應產率。

實驗結果取得了令人振奮的突破：當施加合適強度的靜態磁場時，線蟲體內紅色熒光蛋白的發光強度下降了約6%；而當在靜態磁場基礎上疊加特定頻率的射頻磁場時，發光強度又會顯著回升，且這種變化精準發生在電子自旋共振頻率附近，完全符合量子理論預測。更重要的是，研究人員檢測到，這些自由基對的量子相干時間超過4納秒——在室溫、潮濕且復雜的生物體內，量子相干現象曾被認為過于脆弱而無法持續，這一發現徹底打破了傳統認知，證明了量子效應在活體生物系統中不僅可以存在，還能被精準控制和利用。

研究中還發現了一個具有重要意義的現象：磁場對SCRP的調控效果在不同組織中存在差異，其中在腸道組織中觀察到的效應最強，而在神經元組織中相對較弱。這一差異可能與不同組織中黃素輔因子的濃度不同有關，也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，為未來實現組織特異性的量子調控提供了重要線索。

該研究不僅驗證了量子效應在復雜生物體內的可操控性，更搭建起量子技術與生命系統之間的橋梁，為后續開發變革性的生物醫學技術提供了全新思路。

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