Ако хората можеха да използват рентгеново зрение, за да наблюдават най-ранните клетъчни процеси на болестта на Алцхаймер, те щяха да видят нишка от протеин някъде в мозъка, която се свързва в деформиран възел.
Това микроскопично макраме, известно като неправилно нагъване на протеини, е нормално в човешката биология. Въпреки това, когато механизмът на тялото за отсяване на тези неправилно нагънати протеини се провали, резултатът може да доведе до невродегенеративни заболявания като болестта на Алцхаймер, Паркинсон и Хънтингтън.
Защо точно протеините се нагъват неправилно и защо тялото понякога не успява да ги елиминира, е неизвестно и това е една от причините, поради които изследователи от Училището по молекулярно инженерство Прицкер (PME) на Университета в Чикаго разработват някои от най-напредналите биологични сензори в света.
Питър Маурер, асистент професор по молекулярно инженерство, създава квантови сензори от следващо поколение, които ще отключат нови врати в биологичните и медицински изследвания.
Изградени от диаманти и задвижвани от квантовата физика, наносензорите на Maurer ще могат да измерват магнитни и електрически полета, време, температура и налягане в жива клетка. И докато неговите изследвания са все още в ранна фаза, те имат голям потенциал в медицината и извън нея.
Квантовите сензори могат да извършват измервания на биологични процеси, които не са достъпни от настоящите технологии, или да откриват заболявания, преди те да се проявят клинично. Тази технология има потенциала да разшири изследванията на биофизиката и молекулярната биология“, каза Маурер. „Това ще ни помогне да разберем процесите, които не можем да видим с конвенционалните методи. След това, когато бъде адаптиран в клиничната обстановка, ще видите нови, невероятно ефективни процеси за скрининг на заболявания – тестове за заболявания, за които в момента не можем да изследваме.“
Получаване на представа за нещата
За да разберете тази работа, е полезно да знаете малко за квантовата механика, обяснява Маурер.
„Квантовата механика е тази велика теория, която обяснява света в почти цялата му цялост, доколкото знаем“, каза Маурер. „Това обяснява как атомите се държат заедно и какво движи химичните реакции, което може да обясни биологията и как работят клетките. В известен смисъл квантовата механика е най-фундаменталната теория за света, който имаме сега.
Квантовата механика също така съдържа някои от най-неинтуитивните принципи на науката, като суперпозиция и квантово тунелиране. През годините инженери като Маурер са открили начини да приложат тези принципи към разработването на трансформиращи индустрията технологии.
Атомните часовници, които могат точно да поддържат времето в рамките на 100 ms за 15 милиарда години, се считат за ранна форма на квантово усещане. От създаването си те се превърнаха в гръбнака на няколко сложни технологии, като GPS и модерна сателитна комуникация. Почти по същия начин, по който атомните часовници трансформират измерването на времето, инженери като Маурер се надяват да трансформират измерването на много други явления.
Необработен диамант
Едно приложение, което Маурер преследва от следдокторските си години, е изследването на температурата в клетките. Квантовите системи са изключително чувствителни към температурни промени. Квантовите компютри, например, трябва да се съхраняват при почти абсолютна нула, за да функционират, изисквайки хладилници с размерите на човек. Тази чувствителност, пречка в квантовите изчисления, може да предостави много подробна информация, когато се прилага за усещане.
Работейки от това разбиране, Маурер разработи сензори, които са достатъчно малки, за да бъдат вмъкнати в живата биология. За да направи това, той използва отгледани в лаборатория диаманти, проектирани със специфичен дефект в центъра им: това, което се нарича център за свободни азотни пространства (NV). Този недостатък, поради своята структура, има квантово свойство, наречено спин. Изследователите могат да използват електромагнитно излъчване, за да променят въртенето вътре в диаманта, като придвижване на стрелка на компас с магнит. Съчетавайки това с други инструменти, изследователите могат да усетят различни сили, като магнитни и електрически полета, налягане и температура.
Предимството на подхода на Маурер е, че той може да „захрани“ един от тези наносензори към жива клетка чрез процес, наречен ендоцитоза. Веднъж влязъл в клетката, сензорът на Маурер може да следи температурата, без да нарушава нормалните функции на клетката, загрява части и измерва реакцията.
Разбирането на температурата в клетките е от решаващо значение, тъй като много химични реакции се задействат от топлина и понякога тези реакции могат да доведат до нежелани резултати като денатурирани или неправилно нагънати протеини.
Скок за усещане
В момента Маурер работи с Дейвид Пинкус, асистент в катедрата по молекулярна генетика и клетъчна биология в Чикагския университет, като част от Института за квантово наблюдение за биофизика и биоинженерство (QuBBE) на Националната научна фондация Quantum Leap Challenge Institute for Quantum Sensing for Biophysics and Bioengineering (QuBBE) . Заедно те изследват реакцията на топлинен шок, което е механизмът на тялото за отсяване на неправилно нагънати протеини. Техните изследвания биха могли потенциално да отключат нови методи за справяне с неправилното нагъване на протеини и да доведат до нови тестове или лечения за невродегенеративни заболявания. За Маурер това е възможността да приложи работата си в квантовото инженерство към проблем, засягащ мнозина.
„Квантовите сензори са особено привлекателни, защото ни позволяват да изследваме молекулярни и биологични процеси, до които не бихме могли да достигнем с конвенционалните технологии“, каза Маурер. „По този начин можем да научим нещо за вътрешното функциониране на човешкото здраве и това е нещо, което нашето общество може да извлече много пряка полза от квантовата технология. Това е способността да се използва тази технология, за да се направи нещо смислено.“
Квантовите биосензори като тези, които Maurer разработва, все още са в ранен етап на доказване на концепцията, което означава, че може да мине известно време, преди да се появят в търговското пространство. Той обаче прогнозира, че медицинските изследователи ще започнат да виждат ползите от тях през следващите 5-10 години.
