Jos ihmiset voisivat käyttää röntgennäköä Alzheimerin taudin varhaisimpien soluprosessien seuraamiseen, he näkisivät jossain aivoissa proteiinisäikeen sitovan itsensä epämuodostuneeseen solmuun.
Tämä mikroskooppinen makramee, joka tunnetaan nimellä proteiinien laskostuminen, on normaalia ihmisen biologiassa. Kuitenkin, kun kehon mekanismi näiden väärin laskostuneiden proteiinien seulomiseen epäonnistuu, tulos voi johtaa hermostoa rappeutuviin sairauksiin, kuten Alzheimerin, Parkinsonin ja Huntingtonin tautiin.
Siksi, miksi proteiinit laskostuvat väärin ja miksi elimistö ei toisinaan pysty poistamaan niitä, ei ole tiedossa, ja se on yksi syy siihen, miksi Chicagon yliopiston Pritzker School of Molecular Engineering -koulun (PME) tutkijat kehittävät joitain maailman edistyneimmistä biologisista antureita.
Peter Maurer, molekyylitekniikan apulaisprofessori, luo uuden sukupolven kvanttiantureita, jotka avaavat uusia ovia biologisessa ja lääketieteellisessä tutkimuksessa.
Timanteista rakennetut ja kvanttifysiikkaa käyttävät Maurerin nanosensorit pystyvät mittaamaan magneetti- ja sähkökenttiä, aikaa, lämpötilaa ja painetta elävän solun sisällä. Ja vaikka hänen tutkimuksensa on vielä alkuvaiheessa, sillä on kauaskantoisia mahdollisuuksia lääketieteessä ja sen ulkopuolella.
Kvanttisensorit voivat suorittaa mittauksia biologisista prosesseista, jotka eivät ole nykytekniikan käytettävissä, tai havaita sairauksia ennen kuin ne ilmenevät kliinisesti. Tällä tekniikalla on potentiaalia laajentaa biofysiikan ja molekyylibiologian tutkimusta", Maurer sanoi. ”Se auttaa meitä ymmärtämään prosesseja, joita emme näe perinteisillä menetelmillä. Sitten, kun sitä mukautetaan kliiniseen ympäristöön, näet uusia, uskomattoman tehokkaita sairauksien seulontaprosesseja – testejä sairauksille, joita emme tällä hetkellä voi testata."
Asioiden ymmärtäminen
Tämän työn ymmärtäminen auttaa ymmärtämään hieman kvanttimekaniikkaa, Maurer selittää.
"Kvanttimekaniikka on tämä suuri teoria, joka selittää maailman lähes kokonaisuudessaan, niin pitkälle kuin tiedämme", Maurer sanoi. "Se selittää, kuinka atomit pitävät yhdessä ja mikä ohjaa kemiallisia reaktioita, mikä voi selittää biologiaa ja solujen toimintaa. Jossain mielessä kvanttimekaniikka on nykymaailman perustavin teoria."
Kvanttimekaniikka sisältää myös joitain tieteen vastakkaisimpia periaatteita, kuten superpositiota ja kvanttitunnelointia. Vuosien mittaan Maurerin kaltaiset insinöörit ovat löytäneet tapoja soveltaa näitä periaatteita alaa muuttavan teknologian kehittämiseen.
Atomikelloja, jotka pystyvät pitämään ajan tarkasti 100 ms:ssa yli 15 miljardin vuoden ajan, pidetään kvanttitunnistuksen varhaisena muotona. Niiden luomisesta lähtien niistä on tullut useiden kehittyneiden teknologioiden, kuten GPS:n ja nykyaikaisen satelliittiviestinnän, selkäranka. Samalla tavalla kuin atomikellot muuttivat ajan mittaamista, Maurerin kaltaiset insinöörit toivovat voivansa muuttaa monien muiden ilmiöiden mittauksen.
Karkea timantti
Yksi sovellus, jota Maurer on harjoittanut tohtorivuosistaan lähtien, on solujen lämpötilan tutkimus. Kvanttijärjestelmät ovat erittäin herkkiä lämpötilan muutoksille. Esimerkiksi kvanttitietokoneet on säilytettävä lähes absoluuttisessa nollassa toimiakseen, mikä vaatii ihmisen kokoisia jääkaappeja. Tämä herkkyys, joka haittaa kvanttilaskentaa, voi tarjota erittäin yksityiskohtaista tietoa, kun sitä sovelletaan mittaukseen.
Tämän ymmärryksen pohjalta Maurer on kehittänyt antureita, jotka ovat tarpeeksi pieniä liitettäväksi elävään biologiaan. Tätä varten hän käyttää laboratoriossa kasvatettuja timantteja, joiden keskellä on erityinen puute: ns. typpivakanssikeskus (NV). Tällä puutteella on sen rakenteesta johtuen kvanttiominaisuus, jota kutsutaan spiniksi. Tutkijat voivat käyttää sähkömagneettista säteilyä muuttaakseen pyörimisnopeutta timantin sisällä, kuten liikuttamalla kompassin neulaa magneetin kanssa. Yhdistämällä sen muihin työkaluihin tutkijat voivat havaita erilaisia voimia, kuten magneetti- ja sähkökenttiä, painetta ja lämpötilaa.
Maurerin lähestymistavan etuna on, että hän voi "syöttää" yhden näistä nanosensoreista elävälle solulle endosytoosiksi kutsutun prosessin kautta. Kennon sisällä Maurerin anturi voi seurata lämpötilaa häiritsemättä kennon normaaleja toimintoja, lämpimiä osia ja mitata vastetta.
Solujen lämpötilan ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää, koska lämpö laukaisee monia kemiallisia reaktioita, ja joskus nämä reaktiot voivat johtaa ei-toivottuihin tuloksiin, kuten denaturoituneisiin tai väärin laskostuneisiin proteiineihin.
Harppaus aistimiseen
Tällä hetkellä Maurer työskentelee Chicagon yliopiston molekyyligenetiikan ja solubiologian laitoksen apulaisprofessori David Pincuksen kanssa osana National Science Foundationin Quantum Leap Challenge Institute for Quantum Sensing for Biophysics and Bioengineering -instituuttia (QuBBE). . Yhdessä he tutkivat lämpöshokkivastetta, joka on kehon mekanismi väärin laskostuneiden proteiinien seulomiseksi. Heidän tutkimuksensa voisi mahdollisesti avata uusia menetelmiä proteiinien väärinlaskostumisen korjaamiseksi ja johtaa uusiin testeihin tai hoitoihin hermostoa rappeuttavaan sairauteen. Maurerille se on mahdollisuus soveltaa kvanttitekniikan töitään monia koskeviin kysymyksiin.
"Kvanttianturit ovat erityisen houkuttelevia, koska niiden avulla voimme tutkia molekyyli- ja biologisia prosesseja, joihin emme pääsisi käsiksi perinteisillä tekniikoilla", Maurer sanoi. ”Tämän avulla voimme oppia jotain ihmisen terveyden sisäisestä toiminnasta, ja siitä yhteiskuntamme voi saada erittäin suoraa hyötyä kvanttiteknologiasta. Se on kykyä käyttää tätä tekniikkaa tekemään jotain merkityksellistä."
Kvanttibiosensorit, kuten Maurerin kehittämät, ovat vielä varhaisessa proof-of-concept-vaiheessa, joten saattaa kestää jonkin aikaa, ennen kuin ne ilmestyvät kaupallisiin tiloihin. Hän kuitenkin ennustaa, että lääketieteen tutkijat alkavat nähdä hyödynsä seuraavien 5-10 vuoden aikana.
