Флуоресцентные белки с квантовой модернизацией могут обеспечить беспрецедентное понимание о том, что происходит внутри клеток.
Медузы обладают жутковатой красотой: благодаря природному белку они излучают слабое зеленое свечение. На протяжении десятилетий исследователи использовали этот зеленый флуоресцентный белок и подобные ему молекулы для отслеживания того, что происходит внутри клеток. Теперь эти белки становятся все более популярными: их квантовые свойства используются для того, чтобы сделать их похожими на фундаментальные элементы квантовых вычислений. “Эти флуоресцентные белки, которые все используют в качестве флуоресцентной метки, на самом деле можно превратить в кубит”, - говорит Питер Маурер, квантовый инженер из Чикагского университета. Идея “звучит очень научно-фантастически", - говорит Маурер. Но сама физика не нова, и этот подход уже показал свою принципиальную работоспособность.
Флуоресцентные белковые метки в настоящее время являются одним из важнейших инструментов в биологических лабораториях по всему миру. Они могут отслеживать местоположение и активность белков, определять условия внутри клетки, проверять, нацелены ли лекарственные препараты на нужные участки и выполнять ряд других задач. Но добавление квантового подхода открывает новые и захватывающие возможности, говорят исследователи.
Квантовые сенсоры могут обнаруживать магнитные поля и обладают исключительной чувствительностью, поэтому белковые версии могут улавливать крошечные сигналы, подаваемые нейронами или потоками ионов, или обнаруживать незначительное количество свободных радикалов, которые указывают на клеточный стресс или служат ранними признаками рака. И исследователи могут дистанционно включать и выключать эти квантовые датчики на основе белка, что делает их полезными инструментами для новых технологий визуализации и терапии.
Белковые метки продолжают удивлять исследователей своими новыми возможностями, рассказывает Цзинь Чжан, которая разрабатывает биосенсоры в Калифорнийском университете. “Мы часто сталкиваемся с проблемой чувствительности флуоресцентных меток”, - говорит она, поэтому она была заинтригована тем, какие возможности для науки могут открыть квантовые варианты. “Я все еще пытаюсь представить, какие новые применения они могут принести”. Эта работа является частью более масштабной области квантового зондирования для биологических применений, которая, по мнению наблюдателей, является актуальной и быстро развивается. Хотя разработка белковых квантовых сенсоров находится на ранней стадии, исследователи, проводящие эту работу, говорят, что на ее пути не так уж много препятствий: некоторые белки, которые можно было бы использовать таким образом, уже имеются в продаже, а оборудование для манипулирования ими входит в стандартную комплектацию. “Раньше могло показаться, что это никогда не сработает”, - говорит Аня Джайич, физик из Калифорнийского университета, которая работает над другими типами квантовых датчиков. “Но это уже давно не так”.
В настоящее время квантовая физика переживает вторую революцию. Во время первой, в начале 1900-х годов, физики начали разгадывать причудливые свойства квантового мира, такие как суперпозиция, при которой что-то существует в нескольких состояниях одновременно, и запутанность, при которой квантовые состояния становятся таинственно связанными. Сейчас, во время второй революции, исследователи намеренно манипулируют отдельными квантовыми свойствами, чтобы открыть путь к высокоточным приложениям с высокой степенью информативности в вычислительной технике, связи и сенсорике.
Для квантовых вычислений необходимы кубиты — базовые единицы квантовой информации, которые не подвержены влиянию окружающего мира. Квантовое зондирование, напротив, опирается на кубиты, на которые влияют внешние факторы, которые можно измерить. Магнитно-резонансная томография (МРТ), например, создает изображение, манипулируя и измеряя квантовое свойство, известное как вращение ядер водорода в организме. Сверхпроводящие устройства квантовой интерференции (SQUID) используются для обнаружения магнитных полей в мозге во время магнитоэнцефалографического сканирования в больницах.
Одним из наиболее широко используемых квантовых датчиков на сегодняшний день является "алмазный центр NV" — дефект в кристалле алмаза, в котором один атом углерода заменен на азот (N), а соседний углерод отсутствуя, образуя вакансию (V). Спиновыми состояниями электронов в этом центре можно управлять с помощью микроволн и лазеров, так что магнитные поля, температура и другие факторы окружающей среды влияют на свет, излучаемый электронами, точным и хорошо понятным образом. Эти датчики чрезвычайно чувствительны, универсальны и стабильны даже при комнатной температуре — в отличие от многих кубитных систем, которые требуют экстремального холода. Сегодня листы из NV—алмазов или наноразмерных кристаллов используются в лабораториях и в некоторых коммерческих продуктах, главным образом в физических науках - например, для определения характеристик полупроводников.
В тоже время, бионаучные приложения оказалось сложнее разрабатывать, потому что живые системы “теплые и беспорядочные”, - говорит Джайич, чья лаборатория специализируется на NV алмазных центрах. Но эта область продолжает развиваться. Например, это одно из немногих направлений, которым занимается Чикагский квантовый институт при Чикагском университете, и в 2023 году Национальный научный фонд США увеличил его финансирование. И это единственное направление британского исследовательского центра квантового биомедицинского зондирования, запущенного в декабре 2024 года. “Мы переживаем действительно захватывающее время в области квантовых технологий, когда многие лабораторные эксперименты достигают стадии готовности к применению”, - говорит физик Джон Мортон из Университетского колледжа Лондона, который является содиректором исследовательского центра.
Исследовательские группы изучают, например, как использовать NV-алмазы для проведения наноразмерной магнитно-резонансной томографии или усовершенствовать инструменты, используемые для отслеживания магнитных индикаторов во время операции. Изменяя внешний вид кристаллов алмаза таким образом, чтобы они связывались с определенными молекулами в образцах плазмы крови, исследователи разработали экспериментальные тесты на ВИЧ, которые в 100 000 раз более чувствительны, чем стандартные методы диагностики. Многие исследователи экспериментируют с размещением алмазных квантовых датчиков внутри клеток. Маурер сообщил, что около половины сотрудников его лаборатории исследуют новые области применения NV-алмазов и будут продолжать это делать.
Но у сенсоров NV-алмазов есть свои ограничения: они, как правило, громоздкие, примерно в десять раз крупнее белка, и их трудно разместить именно там, где вы хотите. Флуоресцентные белки, напротив, имеют небольшие размеры и могут быть получены там, где они необходимы, внутри клеток, с использованием методов генной инженерии, что позволяет использовать их в любых целях, которые хотят исследователи. “Выгода, которую вы получаете от этого, огромна", - говорит Джайич.
Около десяти лет назад Дэвид Авшалом, директор Чикагского квантового института, и его коллеги начали задаваться вопросом, можно ли найти молекулы, которые действуют как кубиты. Он надеялся, что такие кубиты можно будет надежно производить с помощью химии, а не вырезать из алмазов или полупроводников. В 2020 году его исследовательская группа сообщила в журнале Science, что ей удалось заставить синтезированную органометаллическую молекулу вести себя как кубит, и вскоре они повторили этот успех с другими молекулами. Эта работа привела Авшалома к сотрудничеству с Маурером, который применил свои знания в области физики для биологической визуализации, в поисках биологических молекул, которые могли бы выполнять ту же функцию. «Это была по сути та же идея, но теперь с системой, которая легко проникала в клетки», — рассказывает Авшалом. Они сосредоточились на «усиленном желтом флуоресцентном белке» (EYFP), готовом продукте, который был усовершенствован биологами для получения ярко-желтого свечения. С точки зрения физики, эта молекула имеет структуру электронной энергии, схожую со структурой существующих кубитов, объясняет Авшалом.
Флуоресцентные белки светятся, когда их электроны возбуждаются лазерным светом, а затем возвращаются в состояние покоя. Биологи обычно вставляют генетические инструкции для метки флуоресцентного белка рядом с кодом интересующего белка. Затем, если целевой белок экспрессируется, метка также экспрессируется: направьте лазер на образец, и он загорится, как рождественская елка. Были разработаны варианты с разными цветами. И белковые инженеры продолжают разрабатывать версии, которые являются полезными датчиками: на их свет может влиять, например, pH или механические силы внутри клеток, или присутствие ионов кальция, которые имеют решающее значение для клеточной сигнализации, или ферменты киназы, участвующие в фосфорилировании, важном переключателе для белковой активности. Однако флуоресцентные белки без квантового обновления не могут обнаруживать магнитные поля.
В течение небольшой доли времени возбужденные электроны в этих флуоресцентных белках переходят в метастабильное, нефлуоресцентное состояние, называемое триплетным состоянием (названным так из-за наличия трех возможных конфигураций спина). Это приводит к затуханию или миганию света. «Люди знали, что это происходит, и ненавидели это, потому что из-за этого флуоресцентная меткак становится менее яркой», — говорит Маурер. Для его целей это было преимуществом, а не помехой, потому что триплетный уровень позволяет создать когерентное суперпозицию спинов, что делает его потенциально полезным квантовым датчиком. Квантовые датчики NV-алмазов также полагаются на триплетный уровень.
Авшалом рассказывает, что после нескольких неудачных попыток оказалось относительно просто поместить EYFP в желаемое состояние квантовой суперпозиции с помощью лазерного света и микроволн. Как только ученые разобрались с энергетическими уровнями соответствующих квантовых состояний, «буквально на следующий день все заработало», говорит он. Как и ожидалось, на флуоресцентный свет влияли магнитные поля, изменяя его интенсивность примерно на 30%. Исследователи показали, что квантовый датчик работает в живых бактериальных клетках при комнатной температуре.
Еще предстоит преодолеть множество препятствий. Одна из проблем заключается в том, что флуоресцентные белки, как правило, хрупки: со временем они разлагаются под воздействием света. Маурер утверждает, что эту проблему можно решить. Его группа также пытается повысить чувствительность белков. Биологи ранее разработали флуоресцентные белки, которые проводят как можно меньше времени в триплетном состоянии; Маурер говорит, что теперь они планируют сделать наоборот — создать варианты и отобрать те, которые проводят больше времени в триплетном состоянии. Они также будут работать над тем, чтобы выяснить, можно ли, как и в случае с NV-алмазами, использовать эти белки для надежного обнаружения изменений в других условиях, включая pH и температуру.
Способность непосредственно обнаруживать электромагнитные поля особенно интересна, считает биологический инженер Натан Шейнер, занимающийся разработкой флуоресцентных белков. «Очень сложно создать надежный и чувствительный индикатор потенциала действия, который возникает при возбуждении нейронов, — говорит он. — Это крошечное изменение в крошечном масштабе». Маурер и его коллеги не единственные, кого заинтересовали квантовые свойства белков. Физик Эндрю Йорк заметил, что красные и зеленые флуоресцентные белки становятся немного чувствительными к магнитным полям, когда они несут небольшое расширение: органическое соединение, называемое флавином. Эти белки реагируют на магнитные поля даже при комнатной температуре и в живых организмах, включая нематодных червей и бактерии.
Харрисон Стил, инженер из Оксфордского университета, Великобритания, объединился с Йорком и его коллегами, чтобы развить эту идею. Они показали, что квантовые детали в этой системе немного отличаются — они включают триплетное состояние и запутанность между двумя электронами в соседних частях молекулы. Но в целом принцип тот же: магнитные поля влияют на спиновые состояния электронов, что изменяет интенсивность флуоресцентного света, превращая белок в полезный квантовый датчик. Исследователи изготовили большие партии из 3000 слегка отличающихся друг от друга белков и отобрали те, которые были наиболее чувствительны к магнитным полям, сосредоточив внимание на четырех наиболее перспективных для дальнейшего изучения.
Группа также показала, что каждый из их белков мигает по-своему, когда радиоволны и магнитные поля включаются и выключаются. Они планируют разработать ряд белковых меток, каждая из которых будет иметь уникальное мигание. По их словам, это будет полезно для «мультиплексирования»: изучения ряда из дюжины или более белков или состояний в одной и той же пробе. Исследователи также имеют в своем арсенале для этой задачи «квантовые точки»: крошечные полупроводниковые кристаллы, которые светятся всеми цветами радуги, своего рода искусственная версия флуоресцентных белковых меток. Но эти точки, как и NV-алмазы, трудно точно разместить внутри клеток (и, по словам Джейич, в качестве датчиков они не так гибки и чувствительны, как NV-алмазы).
Магнитно-чувствительные флуоресцентные белковые метки также могут быть использованы для улучшения визуализации, считает Стил. В настоящее время флуоресцентная белковая микроскопия может обеспечить удивительно подробное изображение активности белков в тканях, но для этого необходимо четко различать свет, что обычно означает рассечение исследуемого животного или просмотр его тканей на глубину всего в миллиметр. На большей глубине свет рассеивается и сигнал становится размытым — как если бы вы пытались «увидеть» внутреннюю структуру своей руки, просвечивая ее фонариком. Идея Стила заключается в том, чтобы применять радиоволны и градиент магнитного поля, чтобы флуоресцентные метки мигали только в определенных местах и в определенное время. Тогда, даже если свет рассеивается при выходе из ткани, он может использовать известную информацию о магнитном поле, чтобы точно определить, откуда исходил свет, улучшая разрешение изображения. Этот подход сочетает в себе способность аппарата МРТ проникать глубоко в ткани с помощью радио- и магнитных сигналов с информацией о белках, полученной с помощью флуоресцентных меток.
Однако эта идея не подходит для глубокой визуализации человеческого тела: наши тела настолько велики, что излучаемый свет может быть полностью поглощен. А степень специфичности, к которой стремится Стил, означает введение флуоресцентных меток путем генетической модификации клеток, что является техникой, которая может использоваться в экспериментах на живых мышах. До сих пор Стил и его коллеги использовали свою установку для визуализации флуоресцирующих белков в бактериях, встроенных в кусок пластика размером с мышь, с разрешением около полумиллиметра. Но они визуализировали только одномерную линию, а не создали целое трехмерное изображение. Стил говорит, что они создали эту наспех сконструированную установку всего за месяц — и «она похожа на очень плохой аппарат МРТ», — смеется он. В течение следующего года они планируют усовершенствовать управление полями и интерпретацию сигналов, чтобы создать более функциональный трехмерный прибор, возможно, с еще более высоким разрешением. «Физика работает, задача состоит только в том, чтобы сделать что-то практичное», — говорит он. «Мы в основном знаем, что делать на каждом этапе».
Поскольку этим белкам можно манипулировать с помощью магнитных полей, эти открытия также открывают дверь к «магнитогенетике» — идее использования направленного магнитного поля для «включения» метки дистанционно и, например, изменения связывания близлежащих белков, чтобы инициировать терапевтический ответ глубоко внутри тела. «Это очень интересно», — отмечает Шенер. Он добавляет, что в будущем могут появиться и другие области применения этих квантовых датчиков. «Где-то здесь скрывается огромный потенциал. Думаю, пока еще не совсем ясно, что именно возможно». Идея усовершенствования квантовых датчиков, которые можно использовать внутри клеток, находится на ранней стадии, но она многообещающая, отмечает Мортон. «Люди пытаются понять: что будет следующим NV? Что будет квантовым сенсором следующего поколения?» Флуоресцентные белки могут быть одним из претендентов, говорит он, но им предстоит пройти долгий путь, чтобы доказать, что их преимущества перевешивают недостатки, такие как хрупкость, по сравнению с NV-алмазами.
Маурер не согласен с этим, указывая на генетическую «целевую направленность» флуоресцентных белков как на огромное преимущество. «Мы не отказались от алмазов», — говорит он, но считает, что флуоресцентные белки одержат победу в области квантового зондирования внутри клеток. Джейич также воодушевлена этими возможностями, особенно с учетом того, что исследователи совершенствуют и улучшают эти белки. «Это только начало, — заявляет она. — Даже в нынешнем состоянии они уже будут лучше других квантовых датчиков для определенных применений в биологии. Это не фантастика. И это действительно захватывающе».
