“量子蛋白”可能成为生物学的下一个大热门

晶体水母有一种特殊的视觉美感：由于天然蛋白质，它们会发出淡淡的绿色光芒。几十年来，研究人员一直利用这种绿色荧光蛋白和类似分子点亮生物学领域，追踪细胞内部的动态。经过量子升级的荧光蛋白有望在细胞内部提供前所未有的视角。

量子计算机终于派上用场来揭示背后的原因

现在，这些无处不在的技术正受到重视：其中包括量子特性的利用，使其类似于量子计算的基本部分。芝加哥大学伊利诺伊大学的量子工程师彼得·莫勒表示：*这些大家都用作荧光标记的荧光蛋白实际上可以变成量子比特。这个想法听起来非常科幻。但这种物理学并不新鲜，这种方法已经被证明在原则上是可行的。

荧光蛋白标记目前是全球生物学实验室中最重要的工具之一。它们可以监测蛋白质的位置和活性，感知细胞内的状况，检查药物候选是否针对正确部位，并执行一系列其他任务。但研究人员表示，加入量子元素带来了新鲜且令人兴奋的可能性。

量子传感器能够探测磁场且极为灵敏，因此蛋白质版本可能能够捕捉到神经元放电或离子流动产生的微小信号，或发现暗示细胞应激或早期癌症迹象的极少量自由基。研究人员可以远程开关这些基于蛋白质的量子传感器，使其成为新成像技术和疗法的有用工具。

这项工作属于生物应用量子传感的一个更大领域，观察者认为该领域正处于热门阶段且发展迅速。尽管蛋白质量子传感器的发展仍处于早期阶段，但相关研究人员表示，目前并无太大障碍：一些可用于此类用途的蛋白质是现成的，且作设备的标准配置。

量子物理目前正经历第二次革命。在20世纪初，物理学家开始揭示量子世界的奇异性质，比如叠加态，即某物同时存在于多个态，以及纠缠，量子态神秘地连接在一起。如今，在第二次革命中，研究人员有意控单个量子属性，为计算、通信和传感等信息密集、高精度应用打开大门。

量子计算需要量子比特——量子信息的基本单位——不受周围世界干扰。相比之下，量子传感依赖于受外部因素影响的量子比特，这些量子比特以特定方式可以被测量。例如，磁共振成像（MRI）通过控和测量人体氢核中的一种称为自旋的量子特性来生成图像。超导量子干涉装置（SQUIDs）用于在医院的脑磁图扫描中检测大脑中的磁场。

NV钻石

目前最广泛使用的量子传感器之一是“NV钻石中心”——即钻石晶体中的一个缺陷，其中一个碳原子被氮（N）取代，且邻近的碳缺失，形成空位（V）。该中心电子的自旋态可以通过微波和激光控，磁场、温度及其他环境因素以精确且易于理解的方式影响电子发射的光。这些传感器极其灵敏、多功能且即使在室温下也稳定——不同于许多需要极低温度的量子比特系统。如今，NV钻石片或纳米级晶体被用于实验室和一些商业产品中，主要用于物理科学领域——例如用于绘制半导体性能图谱。

相比之下，生物科学应用更难开发，因为生命系统“温暖且混乱”，Jayich的实验室专注于NV钻石。

但这个领域正在回升。例如，它是芝加哥大学量子研究所的少数重点领域之一，并于2023年获得美国国家科学基金会的资助。它也是英国量子生物医学传感研究中心的唯一重点，该中心于2024年12月启动。

对此，伦敦大学学院物理学家、该研究中心联合主任约翰·莫顿称：“我们正处于量子技术的一个非常激动人心的时刻，许多实验室演示正处于开启应用的阶段。

例如，研究团队正在研究如何利用NV钻石进行纳米级MRI1或改进用于追踪手术中磁性示踪的工具2. 通过调整钻石晶体的外部，使其与血浆样本中的特定分子结合，研究人员开发出了比标准诊断高出10万倍灵敏度的实验性HIV检测。

一些研究人员正在研究NV钻石的新用途，尝试将钻石量子传感器放入细胞内。

但NV钻石传感器有局限性：它们通常笨重，大约是蛋白质的十倍大，而且很难精确定位。相比之下，荧光蛋白体积小，可以通过基因工程技术在细胞内精确生成，使其与研究人员在研究的物质中获得巨大的收益。

量子发光

大约十年前，芝加哥量子研究所所长大卫·奥沙洛姆和他的同事们开始思考是否能找到能作为量子比特的分子。他希望这样的量子比特能通过化学可靠地产生，而不是用钻石或半导体雕刻而成。2020年，他的团队在科学杂志上报告了它能让合成的有机金属分子表现得像量子比特，他的团队很快也对其他分子做了同样的实验。

这项工作促使奥沙洛姆与毛勒合作，后者将物理知识应用于生物成像领域，致力于寻找可能实现同样效果的生物分子。

他们将重点放在“增强黄色荧光蛋白”（EYFP）上，这是一种现成产品，生物学家经过增强，使其发出明亮的黄色光芒。从物理学角度看，这种分子的电子能量结构与现有量子比特相似。

用绿色荧光蛋白标记会使该脑组织中的神经细胞发光

荧光蛋白在电子被激光激发时会发光，然后回落到放松的能量态。生物学家通常会将荧光蛋白标签的遗传指令插入感兴趣蛋白质的代码旁边。然后，如果目标蛋白被表达，标签也会被表达：用激光照射样本，它会像圣诞树一样亮起来。也有不同颜色的变体。蛋白质工程师们也正在不断开发有用的传感器版本：例如，它们的光可以受到细胞内pH或机械力的影响，或者钙离子的存在（对细胞信号传导至关重要），以及参与磷酸化的激酶酶（磷酸化是蛋白质活性的重要开关）。然而，没有量子升级的荧光蛋白无法探测磁场。

在极少数情况下，这些荧光蛋白中的激发电子会转变为一种亚稳态、非荧光态，称为三重态（因其三种自旋构型而得名）。这会导致灯光变暗或闪烁。“人们知道会发生这种情况，但他们讨厌它，因为这会让你的荧光灯灯光不那么亮，”莫勒说。对他来说，这反而是优势，而非烦恼，因为三重态使自旋的相干叠加态能够产生——这也成为一个潜在有用的量子传感器。NV钻石量子传感器也依赖三重态。团队证明，量子传感器在室温下的活细菌细胞中有效。

利用激光光和微波将EYFP置于所需的量子叠加态是一项相对简单的任务。他说，一旦团队理解了相关量子态的能级，“第二天，它就开始工作了”。正如预期的那样，荧光受到磁场影响，磁场强度变化约30%。团队证明，量子传感器在室温下对活细菌细胞中有效。研究人员对他们开发荧光蛋白，并从量子传感器直接探测电磁场的能力尤其感到兴奋。