量子蛋白：生物学下一场革命？

如果能够看见细胞内部正在发生的一切，人类对生命的理解或许会完全不同。

神经元何时放电、蛋白质如何相互作用、细胞何时进入压力状态——这些关键过程往往发生在极其微小、极其短暂的尺度上。

几十年来，荧光蛋白让科学家第一次“点亮”了细胞内部，但很多最重要的信号仍然隐藏在黑暗中。

现在，一群物理学家和生物学家正在尝试一种看似不可思议的办法：把普通的荧光蛋白升级为量子传感器。

2026年3月3日，《自然》（

Nature

如果这一想法真的成熟，它不仅可能改变细胞成像技术，甚至可能重塑我们观察生命的方式。

但问题是：蛋白质真的能成为量子技术的核心工具吗？

本文18小节，6500多字：

1. 荧光蛋白的“量子升级”

2. 生物量子传感的兴起

3. 第二次量子革命

4. 钻石量子传感器的成功

5. 生物学应用的难题

6. 钻石之外的新选择

7. 量子化的荧光蛋白

8. 锁定一种现成蛋白

9. 曾被“讨厌”的量子状态

10. 在活细胞中实现量子传感

11. 仍待突破的难题

12. 神经信号探测的新希望

13. 重塑核磁成像

14. 一次观察多种蛋白

15. 蛋白版“核磁共振”

16. 从原理验证到真实设备

17. “磁遗传学”的新可能

18. 下一代量子传感器？

2026年3月3日，《自然》（Nature）关于量子蛋白研究最新进展的报道截图。

几十年来，一种来自晶水母的天然分子一直照亮着现代生物学。借助这种会发出绿色荧光的蛋白质，科学家能够在细胞内部“点灯”，实时观察生命活动的细节。

如今，这种经典工具正迎来一次出人意料的升级：研究人员开始利用它们的量子特性，让这些蛋白质具备类似量子计算基本单元的能力。一些科学家认为，这可能开启一种全新的研究工具——“量子蛋白”。

琼斯在报道中指出，如果这一思路成熟，科学家或许能够以前所未有的方式观察细胞内部的物理与化学过程。

晶水母。（图源：Jim G from Silicon Valley, CA, USA, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons）

1.

荧光蛋白的“量子升级”

在自然界中，晶水母之所以会发出微弱的绿色光芒，是因为体内含有一种绿色荧光蛋白（Green Fluorescent Protein，GFP）。几十年来，这类分子已经成为生物实验室最常用的工具之一。

研究人员可以利用荧光蛋白：

• 追踪细胞内蛋白质的位置

• 观察蛋白质活性变化

• 检测细胞内部环境

• 验证药物是否命中目标

但现在，一些物理学家和生物学家开始尝试将它们转变为量子比特。

美国芝加哥大学的量子工程师彼得·毛雷尔（Peter Maurer）表示，实验室常用的荧光蛋白标签“实际上可以被改造成量子比特”。这一设想听起来颇具科幻色彩，但其背后的物理机制并非全新概念，而且在原理上已经被证明可行。

一旦引入量子效应，这些蛋白质传感器可能具备前所未有的灵敏度。

例如：

• 探测神经元放电产生的微弱磁场

• 检测细胞内离子流动

• 识别极微量的自由基（这些分子可能预示细胞压力或癌症早期信号）

更重要的是，研究人员还可以通过外部手段远程开启或关闭这些量子传感器，这使它们在新型成像技术甚至医疗治疗中具有潜在价值。

美国加州大学圣迭戈分校的生物传感器专家张津（Jin Zhang，音）表示，科学家长期以来一直受限于荧光标记的灵敏度，而量子版本可能带来完全不同的可能性。

她认为，这些技术未来可能开启许多尚未被想象到的应用。

2.

生物量子传感的兴起

“量子蛋白”只是更大趋势的一部分——量子传感技术正迅速进入生物学领域。

尽管蛋白质量子传感器仍处于早期阶段，但研究人员认为技术障碍并不多。某些可用蛋白已经是现成材料，而操控这些系统所需的设备在实验室中也相当常见。

美国加州大学圣巴巴拉分校的物理学家阿尼娅·贾伊奇（Ania Jayich）表示，过去很多人认为这种跨学科研究几乎不可能实现，但现在情况已经发生变化。

“那种‘这大概永远行不通’的想法已经不成立了。”

3.

第二次量子革命

这一研究浪潮的背景，是物理学界正在经历的“”。

在20世纪初的第一次量子革命中，科学家发现了量子世界的一系列奇特性质，例如：

• 叠加态：一个系统可以同时处于多个状态

• 量子纠缠：不同粒子的量子状态可以神秘地相互关联

而在当下的中，研究人员开始主动操控单个量子性质，从而开发新的技术应用，包括：

• 量子计算

• 量子通信

• 量子传感

量子计算依赖于稳定、不受环境干扰的量子比特；而量子传感恰恰相反——它利用量子比特对外界环境的敏感性，通过这些变化来进行精确测量。

例如：

• 磁共振成像通过测量人体氢原子核的自旋来生成图像

• 超导量子干涉仪可以检测脑磁信号，用于脑磁图扫描

4.

钻石量子传感器的成功

目前应用最广泛的量子传感器之一，是所谓的“氮—空位钻石中心”。

这种结构出现在钻石晶体中：一个碳原子被氮原子替代，同时邻近位置缺失一个碳原子，形成一个空位。

在这一结构中：

• 电子自旋可以被微波和激光操控

• 磁场、温度等环境变化会改变电子发出的光信号

因此，它可以作为极其灵敏的量子传感器。

与许多需要极低温运行的量子系统不同，这种钻石传感器在室温下也能稳定工作。目前，研究人员已经使用钻石薄片或纳米晶体开发出多种设备，例如用于检测半导体性能。

5.

生物学应用的难题

尽管钻石量子传感器在物理学中取得成功，但进入生物体系却困难重重。

原因很简单：生命系统“温暖而混乱”。

贾伊奇指出，细胞内部充满复杂分子与化学反应，这对精密的量子测量来说是一个挑战。

不过，这一领域正在迅速升温。

例如：

• 美国芝加哥大学的芝加哥量子研究所已经将生物量子传感列为重点方向

• 美国国家科学基金会在2023年增加了相关资助

• 英国在2024年成立了量子生物医学传感研究中心

伦敦大学学院的物理学家约翰·莫顿（John Morton）认为，现在正是量子技术从实验室走向实际应用的关键时期。

6.

钻石之外的新选择

研究人员已经在探索多种应用，例如：

• 利用钻石量子传感器实现纳米尺度磁共振成像

• 在手术中更精确地追踪磁性示踪剂

• 开发灵敏度比传统方法高10万倍的实验性艾滋病毒检测技术

与此同时，许多团队也在尝试把钻石纳米传感器直接放入细胞内部。

但这种方法仍有明显局限。

最主要的问题是：尺寸和定位。

与蛋白质相比，钻石传感器通常大约大十倍，而且难以精确放置到细胞内部的特定位置。

相比之下，荧光蛋白具有天然优势：

• 尺寸极小

• 可以通过基因工程在细胞内精准生成

• 能够紧贴研究目标分子

贾伊奇表示，这种定位能力带来的优势是巨大的。

也正因为如此，越来越多科学家开始设想：如果蛋白质本身就能成为量子传感器，会发生什么？

——这正是“量子蛋白”概念诞生的背景。

7.

量子化的荧光蛋白

大约十年前，芝加哥量子研究所主任大卫·奥施洛姆（David Awschalom）开始思考一个问题：是否能找到一种分子，本身就可以充当量子比特？

如果这种量子比特能够通过化学合成稳定制造，而不是像传统方式那样从钻石或半导体材料中“雕刻”出来，那么量子技术的实现方式将发生巨大变化。

2020年，奥施洛姆团队在《科学》（Science）发表研究，证明一种合成有机金属分子能够表现出量子比特行为。随后，他们又在其他分子体系中重复了这一成果。

这一突破让奥施洛姆开始把目光投向生物体系。他与毛雷尔合作，寻找能够在细胞环境中工作的量子分子。

奥施洛姆表示，这本质上是同一个想法，只不过对象换成了天然就适合进入细胞的生物分子。

利用绿色荧光蛋白转化的大肠杆菌。（图源：DanceWithNyanko, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons）

8.

锁定一种现成蛋白

研究团队最终把目标锁定在一种常见实验工具上：增强型黄色荧光蛋白（Enhanced Yellow Fluorescent Protein，EYFP）。

这种蛋白是生物学家改造得到的荧光分子，具有明亮的黄色发光特性，在实验室中几乎可以直接购买使用。

从物理学角度看，奥施洛姆指出，这种分子的电子能级结构与许多现有量子比特系统非常相似。

荧光蛋白的发光机制本身就源于量子过程：当激光照射时，电子被激发到高能态，随后回落到稳定能级并释放光子，从而产生荧光。

在生物实验中，研究人员通常会把荧光蛋白的基因序列插入到目标蛋白编码旁边。这样，当细胞表达目标蛋白时，荧光标签也会同时表达。只要用激光照射样品，目标蛋白的位置就会像圣诞树灯饰一样亮起。

随着时间推移，科学家已经开发出多种不同颜色的荧光蛋白。同时，蛋白质工程师也在不断开发新的传感器版本，使其能够对细胞内部环境变化作出响应，例如：

• 酸碱度（pH）变化

• 细胞内机械力

• 钙离子浓度（细胞信号传导关键因素）

• 激酶酶活性（控制蛋白质磷酸化开关）

然而，传统荧光蛋白仍有一个重要局限：它们无法探测磁场。

9.

曾被“讨厌”的量子状态

荧光蛋白在发光过程中会出现一种特殊现象。

在极少数情况下，被激发的电子不会立刻回到基态，而是进入一种亚稳态的“三重态”（triplet state）。这种状态具有三种可能的自旋配置，因此得名。

当电子进入这一状态时，荧光会短暂变暗或闪烁。

长期以来，生物学家一直把这种现象视为缺点，因为它会让荧光信号变得不稳定。

毛雷尔说，研究人员过去都很讨厌这种现象，因为它会让荧光标签不够明亮。但对量子工程师来说，这恰恰是机会。

原因在于：三重态可以形成自旋的相干叠加态。

而这种叠加态正是量子传感器所需要的关键条件。事实上，广泛使用的氮—空位钻石量子传感器同样依赖三重态机制。

换句话说，曾经被当作缺陷的物理现象，可能正是让蛋白质成为量子传感器的关键。

10.

在活细胞中实现量子传感

在经历一些早期失败之后，奥施洛姆团队发现，让增强型黄色荧光蛋白进入量子叠加态其实并不复杂。

研究人员只需要利用：

• 激光

• 微波

就可以操控蛋白中的电子自旋状态。

奥施洛姆回忆说，当团队真正理解这些量子能级结构之后，事情进展得非常快。

“几乎是第二天，它就成功运行了。”

实验结果显示，这种蛋白质的荧光强度会受到磁场影响，变化幅度约为30%。

更重要的是，研究团队证明：

这种蛋白质量子传感器可以在室温下的活细菌细胞中工作。

这意味着，量子传感技术第一次有可能真正嵌入活体细胞内部。

11.

仍待突破的难题

尽管概念已经得到验证，但“量子蛋白”仍面临不少挑战。

首先是稳定性问题。

荧光蛋白普遍比较脆弱，在持续激光照射下会逐渐降解。毛雷尔认为，这个问题有望通过蛋白质工程手段改善。

其次是灵敏度提升。

过去，生物学家在设计荧光蛋白时通常会尽量减少三重态停留时间，以避免闪烁。但现在，研究方向正好相反。

毛雷尔团队计划：

• 设计新的蛋白变体

• 筛选那些在三重态停留时间更长的版本

这样可以增强量子效应，从而提高传感能力。

研究人员还将测试这些蛋白是否能够像钻石量子传感器一样，可靠地检测其他环境变化，例如：

• 酸碱度（pH）

• 温度

12.

神经信号探测的新希望

对生物学家来说，最令人兴奋的潜在应用之一，是直接测量细胞产生的电磁信号。

美国加州大学圣迭戈分校的生物工程师内森·谢纳（Nathan Shaner）长期从事荧光蛋白研究。他指出，目前生物学界一直缺乏一种稳定而灵敏的工具来探测神经元动作电位。

当神经元放电时，细胞膜电压会发生极其微小的变化。

这种变化既微弱又发生在极小尺度上，因此极难测量。

如果量子荧光蛋白能够直接感知相关的电磁信号，那么科学家可能第一次能够以全新的方式观察神经系统活动。

13.

重塑核磁成像

毛雷尔的团队并不是唯一关注蛋白质量子特性的研究者。

在美国旧金山陈—扎克伯格生物中心的物理学家安德鲁·约克（Andrew York）发现，当红色或绿色荧光蛋白携带一种小分子延伸结构——黄素（flavin）时，它们会对磁场产生轻微响应。

更重要的是，这种效应不仅在实验条件下存在，而且已经在线虫和细菌等活体生物中被观察到，并且可以在室温条件下工作。

牛津大学的工程师哈里森·斯蒂尔（Harrison Steel）随后与约克团队合作，进一步推进这一思路。

他们发现，这一系统的量子机制与此前的荧光蛋白量子方案略有不同：它同样涉及三重态（triplet state），但关键还包括分子内部两个电子之间的量子纠缠（entanglement）。

总体原理依然相同：

磁场会改变电子自旋状态，从而改变荧光强度。

这意味着，蛋白质本身就可以成为量子传感器。

为了寻找最佳候选分子，研究团队构建了约3000种不同的蛋白变体，并筛选出磁场响应最强的样本，最终选定4种蛋白进行深入研究。

14.

一次观察多种蛋白

研究团队还发现，这些蛋白在无线电波和磁场开关变化时，会产生各自独特的闪烁模式。

未来，他们计划开发一系列荧光蛋白标签，每一种都拥有独特的“闪烁指纹”。

这将带来一种重要能力：多重检测（multiplexing）。

也就是说，科学家可以在同一个样本中同时追踪十几种甚至更多蛋白或细胞状态。

目前研究人员也可以使用量子点（quantum dots）实现类似功能。量子点是一类微小的半导体晶体，能够发出彩虹般多种颜色的荧光，某种程度上相当于人工版的荧光蛋白标签。

但量子点和钻石量子传感器一样，都存在一个关键问题：

它们很难被精确放置到细胞内部的特定位置。

此外，贾伊奇指出，与钻石量子传感器相比，量子点在灵敏度和灵活性上也存在差距。

相比之下，可以通过基因工程在细胞内部精准表达的荧光蛋白，具有明显优势。

15.

蛋白版“核磁共振”

磁场敏感的荧光蛋白不仅能作为传感器，还可能改变成像技术本身。

斯蒂尔指出，目前的荧光蛋白显微成像技术已经能够在组织中极其精细地观察蛋白质活动。

但它有一个根本限制：必须直接看到荧光信号。

因此，在许多实验中，研究人员往往需要：

• 切开实验动物组织

• 或者只能观察组织表面约1毫米以内

更深的位置，光线在组织中散射严重，信号就会迅速模糊——就像试图用手电筒照穿手掌看内部结构一样。

斯蒂尔提出的解决方案，是把核磁共振成像（MRI）的思想引入荧光蛋白成像。

他的方案是：

• 施加无线电波和磁场梯度

• 让荧光蛋白只在特定时间和特定位置闪烁

• 利用已知磁场信息，反推荧光产生的位置

这样，即使光线在组织中发生散射，研究人员仍然可以精准定位信号来源。

换句话说，这种方法融合了两种技术优势：

核磁共振成像的深层探测能力 + 荧光蛋白的分子特异性。

16.

从原理验证到真实设备

不过，这种技术并不适合用于人体深层成像。

原因很简单：人体体积太大，荧光信号在到达体表之前可能已经被完全吸收。

此外，这种方法需要通过基因工程把荧光蛋白标签植入细胞，而这种技术目前主要用于严重疾病治疗研究。

但在动物实验中，它可能非常有用。例如活体小鼠成像。

目前，斯蒂尔团队已经完成了一个早期实验：他们把含有荧光蛋白的细菌嵌入一个类似小鼠大小的塑料模型中进行成像。

实验结果显示：

成像分辨率约为0.5毫米。

不过目前系统仍然十分初级——只能扫描一条一维线条，而不是完整的三维图像。

斯蒂尔笑称，这套装置是在一个月内临时搭建的工程原型，“几乎就像一台非常糟糕的核磁共振仪”。

接下来一年，团队计划：

• 更精确控制磁场

• 改进信号解读算法

• 构建真正的三维成像系统

斯蒂尔表示：

“物理原理已经验证，现在的挑战只是把它做成实用设备。”

17.

“磁遗传学”的新可能

磁场可以操控这些蛋白，也意味着一个全新领域的潜在诞生：磁遗传学（magnetogenetics）。

这一概念的核心是：

利用定向磁场远程激活细胞内的蛋白标签。

例如，通过磁场控制蛋白质结合行为，从而在体内深处触发特定治疗反应。

谢纳认为，这一前景令人兴奋。

未来，这些量子蛋白可能还会带来更多尚未被预见的应用。

他说：

“这里面蕴藏着巨大的潜力，只是我们现在还不知道它的边界在哪里。”

18.

下一代量子传感器？

莫顿认为，能够在细胞内部工作的量子传感器仍然处于非常早期阶段。

过去几年，量子技术领域一直在寻找一个问题的答案：

“下一个氮—空位钻石量子传感器会是什么？”

荧光蛋白可能是候选之一，但它们仍需要证明自己在稳定性等方面能够与钻石传感器竞争。

毛雷尔则持更乐观态度。他指出，荧光蛋白拥有一个钻石无法比拟的优势：

基因可靶向表达。

研究人员可以把蛋白精确地放到细胞内部的任何位置。

他说：

“我们并没有放弃钻石，但在细胞内部进行量子传感时，荧光蛋白很可能会胜出。”

贾伊奇同样对这一方向充满期待，尤其是在蛋白质工程不断改进这些分子的情况下。

她认为，这一研究领域才刚刚开始。

“即使在目前阶段，它在某些生物应用中已经可能优于其他量子传感器。”

她总结说：

“这并不是疯狂的想法，而是一个非常令人兴奋的方向。”

参考资料：

"Quantum spin resonance in engineered proteins for multimodal sensing" by Abrahams, G. et al. Nature 649, 1172–1179 (2026).

本文头图来源：量子号

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