Proteína de água-viva brilha em um sensor quântico para aplicações biomédicas
Computação Quântica

Proteína de água-viva brilha em um sensor quântico para aplicações biomédicas


Resumo interno:

  • Os campos magnéticos desempenham um papel importante nos processos biológicos e tecnológicos, e pesquisas recentes da Universidade de Chicago e do Laboratório Nacional de Argonne destacam como proteínas fluorescentes habilitadas para quantum, como o EYFP, podem ser eficazes na formação de células e na detecção precoce de doenças.
  • A proteína fluorescente amarela aprimorada (EYFP), encontrada em águas-vivas, tem um estado tripleto metaestável que é estável e mensurável opticamente, tornando-a uma forte candidata para detecção quântica.
  • Os pesquisadores enfrentaram os principais desafios, incluindo a longa vida útil do estado trigêmeo metaestável e a integração em sistemas biológicos, desenvolvendo um método de fluorescência retardada opticamente ativada (OADF), que permite a leitura de spin desejada e valida a atividade EYFP em células vivas.

Embora a maioria de nós esteja familiarizada com os ímãs nas brincadeiras infantis para nos maravilharmos com o poder de seus passos ou atração, poucos estão conscientes das forças magnéticas que nos cercam – e daquelas dentro de nós. Os campos magnéticos não são apenas uma curiosidade externa; eles desempenham um papel importante em nossos corpos e além, influenciando tanto os processos biológicos quanto os sistemas tecnológicos. Uma publicação recente do arXiv da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e do Laboratório Nacional Argonne destaca como os campos magnéticos no corpo podem ser analisados ​​​​usando proteínas fluorescentes habilitadas para quantum, com a esperança de aplicá-los ao design de células ou à detecção precoce de doenças.

Solução de água-viva

Detectar mudanças sutis em campos magnéticos pode ser como examinar efeitos sutis em determinados campos. Por exemplo, sensores quânticos podem ser usados ​​para detectar perturbações eletromagnéticas em data centers, o que pode revelar evidências de manipulação maliciosa. Da mesma forma, podem ser usados ​​para estudar alterações nos sinais magnéticos do cérebro, fornecendo informações sobre doenças neurológicas, como o início da demência. No entanto, estas aplicações requerem sensores que não sejam apenas sensíveis, mas também capazes de operar de forma confiável em condições reais.

Os spin qubits, conhecidos por sua notável sensibilidade magnética, são apresentados em pesquisas como uma solução convincente. Tradicionalmente, os qubits de spin são construídos a partir de centros espaciais de nitrogênio em diamantes. Embora estes sistemas tenham demonstrado uma precisão notável, o tamanho do diamante em relação às moléculas e a complexa química da superfície limitam a sua utilização no ambiente biológico. Isto cria a necessidade de um sensor flexível e biologicamente compatível.

Imagem responsiva

No entanto, o desafio é mais do que apenas obter as informações corretas. Um sensor projetado para essas aplicações também deve ser estável o suficiente para operar em temperatura ambiente e fornecer dados mensuráveis ​​visualmente. Os autores observam que atender a esses critérios e ao mesmo tempo manter a sensibilidade a pequenas mudanças no campo magnético tem sido um obstáculo consistente com base na literatura existente.

No entanto, a resposta pode ser encontrada nas águas-vivas – especificamente, No meio água-viva – de todas as coisas. A proteína fluorescente amarela aprimorada (EYFP), uma proteína luminescente encontrada em águas-vivas, tornou-se um pilar na bioimagem e provou ser importante para rastrear processos biológicos. E embora a bioluminescência seja uma entidade própria, esta proteína é ambiciosa. Ele também possui propriedades únicas, como um estado triplo metaestável.

O estado tripleto refere-se aos dois elétrons girando em paralelo, em vez de em direções opostas, como visto nos estados singleto. Este alinhamento leva a energias mais baixas, tornando o estado tripleto relativamente estável, ou pelo menos longo o suficiente para permitir medições precisas. Mais importante ainda, o estado tripleto EYFP pode ser medido opticamente, o que significa que seu estado quântico pode ser lido usando luz. Esta combinação única de estabilidade e escalabilidade estabelece o EYFP como um forte candidato para cruzamento de detecção quântica.

Desafios sim

Mas, é claro, por trás de cada solução aparentemente perfeita há uma série de obstáculos a superar, e a transformação do EYFP num sensor quântico não foi exceção. A equipa de investigação enfrentou vários desafios para modificar esta proteína bioluminescente para detecção quântica, cada um exigindo soluções criativas.

Um grande obstáculo foi o próprio estado trigêmeo metaestável. Embora este fenómeno seja muito relevante para a detecção quântica, a sua longevidade representa um desafio – uma reclamação rara no desenvolvimento da tecnologia quântica. A duração prolongada do estado triplo limitou a repetibilidade da medição, o que por sua vez limitou a sensibilidade do sensor. Além disso, em altas temperaturas, a despolarização do spin dentro do estado tripleto ocorre muito rapidamente para permitir leituras confiáveis ​​– uma reclamação muito rara no desenvolvimento da tecnologia quântica.

A equipe superou essas limitações desenvolvendo uma técnica chamada fluorescência retardada opticamente ativada (OADF). Usando um pulso de laser, eles conseguiram levar o EYFP de seu estado triplo para um estado de energia mais alto. Este estado de alta energia possibilitou um processo denominado cruzamento intersistema reverso (RISC), que acelera a conversão da proteína de volta em uma, encurtando efetivamente o tempo de vida dos três estados, removendo o gargalo mencionado e permitindo a leitura de spin desejada.

Outro obstáculo foi o desafio de integrar o EYFP em ambientes do mundo real, particularmente em sistemas biológicos. Muitos sensores quânticos, como centros de diamante com gap de nitrogênio, têm problemas de biocompatibilidade devido ao seu tamanho e à química da superfície. Para que o EYFP fosse bem sucedido, tinha de manter as suas propriedades quânticas enquanto operava no ambiente complexo e muitas vezes misterioso das células vivas.

No que foi descrito como respiração sonora, os pesquisadores demonstraram que o EYFP pode manter suas propriedades quânticas dentro das células dos mamíferos. Ao expressar EYFP nessas células, eles realizaram com sucesso o spin-learning e demonstraram sua robustez mesmo em ambientes intracelulares adversos. A capacidade da proteína de funcionar em soluções aquosas e a sua codificação genética também permitiram que ela fosse perfeitamente integrada em sistemas biológicos, uma vantagem significativa sobre muitos sensores quânticos existentes.

O obstáculo final foi demonstrar que estas propriedades poderiam traduzir-se em aplicações práticas à temperatura ambiente. Embora muitas tecnologias quânticas exijam condições criogênicas para funcionar de forma eficaz, a capacidade do EYFP de detectar ímãs estacionários em um ambiente aquoso à temperatura ambiente garante que a proteína possa ser usada em uma variedade de ambientes do mundo real sem a necessidade de equipamento especial. Com essas soluções combinadas, a equipe de pesquisa conseguiu dar ao EYFP uma nova vida como um sensor quântico flexível.

Quando o Quantum encontra a bioluminescência

O que torna esta descoberta tão emocionante é a sua capacidade de reunir o que parecem ser ideias absurdas em biologia e tecnologia quântica e utilizar tecnologias complementares. Combinar a bioluminescência das proteínas das águas-vivas com a precisão dos sensores quânticos lembra-nos que o futuro não é apenas um produto do que sabemos, mas um resultado do que ousamos construir.

Como observou um pesquisador em uma postagem recente da New Scientist: “Você está dizendo a si mesmo que as pessoas não conseguem fazer isso direito, mas isso lhe dá uma riqueza de informações adicionais em potencial”. A tecnologia quântica geralmente fornece soluções antes de compreendermos totalmente os problemas que ela resolverá. A história do EYFP é tão incrível quanto prática. Uma proteína outrora brilhante encontrada nos confins rasos do gel marinho poderia ser usada para revolucionar a forma como estudamos e entendemos os campos magnéticos. É um lembrete de que existe uma combinação infinita de criatividade e que o futuro está aqui e ainda será criado. Uma posição sênior, se você preferir.

Os próximos passos incluem o refinamento desta tecnologia, a melhoria das propriedades quânticas do EYFP através da utilização de técnicas como a evolução dirigida e o teste da sua utilização em aplicações mais amplas. Os autores que contribuíram para o estudo incluem Jacob S. Feder, Benjamin S. Soloway, Shreya Verma, Zhi Z. Geng, Shihao Wang, Bethel Kifle, Emmeline G. Riendeau, Yeghishe Tsaturyan, Leah R. Weiss, Mouzhe Xie, Jun Huang, Aaron Esser-Kahn, Laura Gagliardi, David D. Awschalom e Peter C. Maurer.



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