Kdyby lidé mohli pomocí rentgenového vidění sledovat nejranější buněčné procesy Alzheimerovy choroby, viděli by vlákno bílkoviny někde v mozku, které se svázalo do zdeformovaného uzlu.
Toto mikroskopické makramé, známé jako chybné skládání proteinů, je v biologii člověka normální. Když však selže tělesný mechanismus pro prosévání těchto špatně složených proteinů, může to vést k neurodegenerativním onemocněním, jako je Alzheimerova, Parkinsonova a Huntingtonova choroba.
Proč přesně se proteiny špatně skládají a proč je tělo někdy nedokáže odstranit, není známo a je to jeden z důvodů, proč výzkumníci z Pritzkerovy školy molekulárního inženýrství (PME) na Chicagské univerzitě vyvíjejí některé z nejpokročilejších biologických senzorů na světě.
Peter Maurer, odborný asistent molekulárního inženýrství, vytváří kvantové senzory nové generace, které otevřou nové dveře biologickému a lékařskému výzkumu.
Maurerovy nanosenzory, postavené z diamantů a poháněné kvantovou fyzikou, budou schopny měřit magnetická a elektrická pole, čas, teplotu a tlak uvnitř živé buňky. A i když je jeho výzkum stále v rané fázi, má dalekosáhlý potenciál v medicíně i mimo ni.
Kvantové senzory mohou provádět měření biologických procesů, které nejsou dostupnými současnými technologiemi, nebo detekovat nemoci dříve, než se klinicky projeví. Tato technologie má potenciál rozšířit výzkum v oblasti biofyziky a molekulární biologie,“ řekl Maurer. „Pomůže nám to pochopit procesy, které konvenčními metodami nevidíme. Poté, když se to přizpůsobí v klinickém prostředí, uvidíte nové, neuvěřitelně efektivní postupy screeningu nemocí – testy nemocí, které v současnosti nemůžeme testovat.“
Získání představy o věcech
Abyste porozuměli této práci, pomůže vám vědět něco o kvantové mechanice, vysvětluje Maurer.
„Kvantová mechanika je tato skvělá teorie, která vysvětluje svět téměř v jeho celistvosti, pokud víme,“ řekl Maurer. „Vysvětluje, jak atomy drží pohromadě a co pohání chemické reakce, což může vysvětlit biologii a fungování buněk. V jistém smyslu je kvantová mechanika nejzákladnější teorií světa, kterou nyní máme."
Kvantová mechanika také obsahuje některé z nejvíce kontraintuitivních principů vědy, jako je superpozice a kvantové tunelování. V průběhu let inženýři jako Maurer objevili způsoby, jak tyto principy aplikovat na vývoj technologií transformujících průmysl.
Atomové hodiny, které dokážou přesně udržet čas do 100 ms po dobu 15 miliard let, jsou považovány za ranou formu kvantového snímání. Od svého vzniku se staly páteří několika sofistikovaných technologií, jako je GPS a moderní satelitní komunikace. V podstatě stejným způsobem, jakým atomové hodiny transformovaly měření času, inženýři jako Maurer doufají, že transformují měření mnoha dalších jevů.
Neopracovaný diamant
Jednou aplikací, o kterou se Maurer od svých postdoktorských let stará, je studium teploty v buňkách. Kvantové systémy jsou extrémně citlivé na změny teploty. Například kvantové počítače, aby fungovaly, musí být skladovány v blízkosti absolutní nuly, což vyžaduje ledničky velikosti člověka. Tato citlivost, překážka v kvantových výpočtech, může při aplikaci na snímání poskytnout velmi podrobné informace.
Na základě tohoto pochopení Maurer vyvinul senzory, které jsou dostatečně malé na to, aby je bylo možné vložit do živé biologie. K tomu používá v laboratoři vypěstované diamanty navržené se specifickou chybou v jejich středu: to, co se nazývá centrum dusíkové vakance (NV). Tato vada má díky své struktuře kvantovou vlastnost zvanou spin. Výzkumníci mohou použít elektromagnetické záření ke změně rotace uvnitř diamantu, jako je pohyb střelky kompasu pomocí magnetu. Ve spojení s jinými nástroji mohou výzkumníci vnímat různé síly, jako jsou magnetická a elektrická pole, tlak a teplotu.
Výhodou Maurerova přístupu je, že může jeden z těchto nanosenzorů „nakrmit“ živou buňku prostřednictvím procesu zvaného endocytóza. Jakmile je Maurerův senzor uvnitř buňky, může monitorovat teplotu, aniž by narušil normální funkce buňky, teplé části a měřit odezvu.
Porozumění teplotě v buňkách je zásadní, protože mnoho chemických reakcí je spouštěno teplem a příležitostně mohou tyto reakce vést k nežádoucím výsledkům, jako jsou denaturované nebo špatně složené proteiny.
Skok pro snímání
V současné době Maurer spolupracuje s Davidem Pincusem, odborným asistentem na katedře molekulární genetiky a buněčné biologie na Chicagské univerzitě, jako součást institutu Quantum Leap Challenge Institute for Quantum Sensing for Biophysics and Bioengineering (QuBBE) Národní vědecké nadace. . Společně zkoumají reakci tepelného šoku, což je mechanismus těla pro prosévání špatně poskládaných proteinů. Jejich výzkum by mohl potenciálně odemknout nové metody pro řešení chybného skládání proteinů a vést k novým testům nebo léčbě neurodegenerativních onemocnění. Pro Maurera je to příležitost uplatnit svou práci v kvantovém inženýrství na problém, který ovlivňuje mnohé.
„Kvantové senzory jsou obzvláště přitažlivé, protože nám umožňují zkoumat molekulární a biologické procesy, ke kterým bychom s konvenčními technologiemi neměli přístup,“ řekl Maurer. „Tím se můžeme naučit něco o vnitřním fungování lidského zdraví, a to je něco, co může naše společnost velmi přímo těžit z kvantové technologie. Je to schopnost využít tuto technologii k něčemu smysluplnému.“
Kvantové biosenzory, jako jsou ty, které vyvíjí Maurer, jsou stále v rané fázi ověřování konceptu, což znamená, že může nějakou dobu trvat, než se objeví v komerčním prostoru. Nicméně předpovídá, že lékařští výzkumníci začnou vidět jejich přínos během příštích 5-10 let.
