Nature：量子生物学里程碑！斯坦福团队首次在活体动物中拨动量子开关，远程遥控基因表达

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

自旋相关自由基对（SCRP）是一类反应行为受其电子自旋状态显著影响的分子实体。这些自旋态可存在于量子相干叠加状态，使得反应路径对外部磁场具有极高敏感性。此前，磁场对 SCRP 的影响仍局限于体外实验或分离生物分子层面，在活体动物中实现针对性调控，始终未获突破。

2026 年 3 月 18 日，斯坦福大学的研究人员在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：Magnetic resonance control of spin-correlated radical pair dynamics in vivo 的研究论文。

该研究首次在量子物理学和生物学之间架起了桥梁——在活体多细胞动物中利用磁共振技术成功控制了自旋相关自由基对（SCRP）动力学。该研究不仅验证了量子效应在复杂生物体内的存在，更为远程控制生物分子过程（例如基因表达）开辟了全新途径，还表明了量子工具在生物医学中具有更广泛的应用潜力。

总的来说，这项开创性研究揭示了生物调控的一个新维度——通过非侵入性的磁场远程调控自由基对内电子自旋的微妙相互作用，这不仅丰富了我们对天然环境中自旋化学的理解，还为利用分子层面量子现象的变革性生物医学技术开辟了新道路。

量子生物学的新里程碑

长期以来，科学家们一直好奇：微弱的磁场如何影响生命系统？候鸟如何利用地球磁场导航数千公里？这些现象背后，可能隐藏着量子力学的秘密。

在微观世界中，某些化学反应会产生一对特殊的“自由基”——它们就像一对量子纠缠的“双胞胎”，即使分开，其自旋状态也保持神秘关联，这就是自旋相关自由基对（spin-correlated radical pair，SCRP）。

当这对自由基处于特定状态时，它们可以重组并完成化学反应；处于另一种状态时，则会“分道扬镳”。而外部磁场，就像一只无形的手，可以微妙地调整这对“双胞胎”的状态比例，从而改变化学反应的结果。更神奇的是，如果在静态磁场基础上，再施加特定频率的射频磁场，就能像调收音机一样，精准“拨动”这对量子双胞胎的状态——这就是反应产额检测磁共振技术。

从理论到活体动物的跨越

尽管科学家早在几十年前就预测并在试管中观察到了相关现象，但在多细胞生物体内构建工程化的量子敏感系统，一直是个巨大挑战。

在这项最新研究，来自斯坦福大学的研究团队选择了一个巧妙的组合：红色荧光蛋白（RFP）和黄素辅因子（flavin cofactor）。红色荧光蛋白是生物学研究的“明星工具”，能让细胞发出红色荧光；黄素则是细胞中天然存在的分子。

研究团队对秀丽隐杆线虫进行基因改造，使其表达特定的红色荧光蛋白，当这些蛋白与细胞内的黄素相遇，并在光照条件下，就会形成那个神秘的“量子双胞胎”——自旋相关自由基对（SCRP）。

精密的量子“遥控器”

为了在活体动物中观察并控制这种微观量子效应，研究团队设计了一套精密的实验装置。

他们使用两组亥姆霍兹线圈产生静态磁场，同时用一个频率约 450 MHz 的环形谐振器产生射频磁场。整个系统就像一个量子“遥控器”，能精确调控线虫体内的自由基对状态。

通过宽场荧光成像，研究团队可以实时观察红色荧光蛋白的发光强度变化——这直接反映了自由基对的量子状态和化学反应产率。

实验结果令人振奋：当施加合适的静态磁场时，线虫体内红色荧光蛋白的发光强度下降了约 6%；而当叠加特定频率的射频磁场时，发光强度又显著回升。这种变化不是随机的——它精确发生在电子自旋共振频率附近，完全符合量子理论预测。

利用射频磁场对荧光蛋白:黄素系统中红色荧光蛋白的荧光进行调控

更精细的测量显示，这些自由基对的量子相干时间超过4 纳秒。在室温、潮湿、复杂的生物体内，量子相干现象曾被认为因太过脆弱或复杂而无法在活细胞中持续存在，而这项研究证明了其不仅可以在室温、潮湿、复杂的生物体内存在，还可以被控制和利用。

研究团队还发现了一个有趣现象：不同组织中，磁场的调控作用程度并不相同，在肠道组织中观察到的效应最强，而在神经元组织中则相对较弱。这可能与不同组织中黄素辅因子的浓度差异有关，也可能反映了不同组织微环境的氧化还原状态对量子过程的影响。这一发现暗示，未来或许能通过设计组织特异性的量子敏感系统，实现对特定器官或细胞类型的精准调控。

从线虫到人类的想象

这项研究的真正意义在于，它首次在活体多细胞生物中实现了工程化量子系统的磁共振控制。

想象一下未来的应用场景：医生可以通过体外施加特定磁场，远程调控肿瘤细胞中的基因表达，实现无创治疗；科学家可以设计对磁场敏感的报告系统，实时监测特定生物过程；甚至可能开发出基于量子效应的新型生物传感器和成像技术。

这项研究还标志着量子生物学从观察自然现象，迈向了主动设计、工程化应用的新阶段。未来，通过定向进化或理性设计，科学家可能开发出对磁场更敏感、特异性更强的量子蛋白，这些蛋白不仅能作为研究工具，还可能成为连接量子技术与生命系统的桥梁。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10282-4