Kvantumfehérjék: az alapok
Az új irány lényege, hogy egyes, már jól ismert fluoreszcens fehérjékből – mint az EYFP – kvantumbiteket, vagyis qubiteket lehet kialakítani. Ez azt jelenti, hogy a sejteken belül pontosan ott, ahol akarjuk, képesek lehetünk kvantumjelenségeket – például elektronspin-állapotokat – mérni, manipulálni. A fluoreszcens fehérje kicsi, génmódosítással könnyedén a kívánt helyre irányítható, míg a korábban használt kvantumszenzor, az NV-gyémánt, méretben és elhelyezhetőségben lényegesen korlátozottabb volt.
Kvantumszenzorok előretörése
A kvantumtechnológiák második forradalmát éljük: ma már nemcsak megfigyeljük, hanem konkrétan képesek vagyunk befolyásolni az anyag kvantumállapotait – például információt tárolni qubiteken. A kvantumszenzor lényege viszont épp az, hogy az ilyen qubit ki van téve a környezetnek, amelynek változásait érzékenyen jelzi. Jó példa erre az orvosi MRI, amely a hidrogénatomok spinjének változásait méri. A legelterjedtebb kvantumszenzor ma az ún. NV-központ a gyémántban; azonban a sejten belüli alkalmazásokat eddig korlátozta a szenzor mérete, illetve a beillesztés nehézsége.
Az új kvantumfehérjék előnye pontosan ebben rejlik: könnyen létrehozhatók, célzottan be lehet őket építeni élő sejtekbe, és így pontos, helyspecifikus mérésekhez használhatók.
Az áttörés: fluoreszcens fehérje kvantumbites módosítással
Körülbelül tíz éve merült fel először, hogy lehetne-e olyan molekulákat találni, amelyek kvantumállapotokat is képesek hordozni. Az áttörést az úgynevezett EYFP-fehérje hozta, amely világossárga fényt bocsát ki, és amelynek elektronenergiái hasonlóak a kvantumbitekhez szükséges energiaszintekhez.
Normál esetben a fluoreszcens fehérjék úgy világítanak, hogy egy lézerfény aktiválja őket; azonban bizonyos esetekben az elektronjuk átvált egy olyan „triplet” állapotba, amely sötét, de kvantum szempontból rendkívül érdekes, mert itt már létrejön a szükséges stabilitás és spin-szuperpozíció, ami kvantumszenzorrá teszi az adott fehérjét. A kutatók lézerfénnyel és mikrohullámokkal képesek voltak előidézni ezt az állapotot, majd kimutatták, hogy a szenzor érzékeny a mágneses térre: akár 30%-os intenzitásváltozást is mértek.
Ez az áttörés már élő baktériumsejtekben is működött, ráadásul szobahőmérsékleten, ami komoly előny.
Mire lehet jó a kvantumfehérje?
Az új kvantumfehérjék elméletileg képesek lennének detektálni más paramétereket is, nemcsak a mágneses teret: ionáramokat, szabadgyök-koncentrációkat, sőt, a sejtek belső feszültségváltozásait. Ezek mind kulcsfontosságúak olyan területeken, mint például az idegsejtek működésének vizsgálata vagy a daganatos elváltozások korai diagnózisa.
Például nagyon nehéz megbízható, érzékeny érzékelőt építeni az idegsejtek elektromos aktivitására. A kvantumfehérjék azonban új utakat nyithatnak az ilyen mikroszkopikus, gyors változások megfigyelésére.
Fehérje-MRI: új korszak jön?
Andrew York kutatócsoportja továbbfejlesztette az ötletet: kiderült, hogy bizonyos vörös és zöld fehérjék flavin nevű szerves vegyület hozzáadásával szintén érzékennyé válnak a mágneses térre, ráadásul élő szervezetekben is működnek. Ezeknél is a triplet állapot és két közeli elektron összefonódott kvantumállapota a kulcs.
A csapat egyedileg megtervezett, több ezer fehérjét vizsgált meg, és kiválasztotta azokat, amelyek a leginkább érzékenyek a mágneses térre. Terveik szerint minden fehérje más mintázatban fog villogni – ezt multiplexálásra használhatják, vagyis egyszerre több különböző jelenséget is követhetnek egy mintában.
Képalkotás forradalma és további lehetőségek
Az új módszerek jelentősen javíthatják a fehérjemikroszkópia felbontását, hiszen sokkal mélyebben lehetne látni a szövetekben. A mágneses mezővel és rádióhullámmal irányított fehérjék ott világítanak, ahol szeretnénk – ezek pozícióját később pontosan vissza lehet fejteni, hiszen a mágneses tér mintázata is ismert. Ez a technika az MRI mélyrehatoló megfigyelését, illetve a fluoreszcens címkék pontos célzottságát ötvözi, noha emberben a testméret miatt egyelőre nem alkalmazható, inkább kisebb állatokon, például egereken lehet kísérletezni.
Az első kísérletekben baktériumokat tartalmazó, egérméretű műanyagtömbökben félmilliméteres felbontást értek el. A végső cél egy funkcionális és kompakt 3D-rendszer.
Mivel a fehérjék mágneses térrel is vezérelhetők, megjelent a magnetogenetika ötlete is: irányított mágneses térrel elméletileg távolról is be lehetne kapcsolni bizonyos fehérjék aktivitását a szervezet mélyén, és ezzel közvetlenül terápiás folyamatokat indítani.
Kihívások és lehetőségek
Természetesen sok megoldandó kérdés maradt: a fehérjék például hajlamosak gyorsan elbomlani erős megvilágítás mellett, ezen javítani kell. További kihívás az érzékenység növelése; jelenleg a kutatók olyan változatokat keresnek, amelyek minél több időt töltenek a speciális tripletállapotban.
Noha az NV-gyémánt az érzékenység és stabilitás szempontjából máig verhetetlen, az új fluoreszcens fehérjék genetikai célzottsága páratlan lehetőségeket nyit. Elképzelhető, hogy pár éven belül a kvantumfehérjék a biológiai szenzorika új sztárjai lesznek – legalábbis a kísérleti laborokban bizonyosan.
