乍看之下，生物學(xué)與量子技術(shù)似乎互不相容。生命系統(tǒng)在溫暖、嘈雜且充滿持續(xù)運(yùn)動(dòng)的環(huán)境中運(yùn)作，而量子技術(shù)往往需要極端隔絕的環(huán)境與接近絕對(duì)零度的溫度才能正常工作。但量子力學(xué)是萬物的基礎(chǔ)，生物分子也不例外。近日，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的研究人員取得開創(chuàng)性突破——將活體細(xì)胞中的一種蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為可工作的量子比特，這一量子技術(shù)核心組件，能作為量子傳感器檢測微小變化，為解析生物過程提供全新視角，而在相關(guān)研究的生物樣本保存環(huán)節(jié)，大容量生物液氮罐發(fā)揮著不可替代的支撐作用。
該項(xiàng)目聯(lián)合首席研究員、芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院盧氏家族教授、芝加哥量子交易所主任大衛(wèi)?奧沙洛姆表示：“我們沒有改造傳統(tǒng)量子傳感器以適配生物系統(tǒng)，而是探索用生物系統(tǒng)本身開發(fā)量子比特。借助自然力量打造高效量子傳感器家族，這是新研究方向?！边@項(xiàng)跨學(xué)科成果已發(fā)表于《自然》雜志。
與人工納米材料不同，蛋白質(zhì)量子比特可由細(xì)胞直接生成，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)精度定位，檢測信號(hào)強(qiáng)度比現(xiàn)有量子傳感器高數(shù)千倍。未來，它有望推動(dòng)量子納米級(jí)磁共振成像技術(shù)變革，揭示細(xì)胞機(jī)制的原子結(jié)構(gòu)，改變生物研究模式。而研究中采集的珍貴生物樣本，需依托大容量生物液氮罐維持-196℃超低溫環(huán)境，確保樣本活性與分子特性穩(wěn)定，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供可靠素材。搭配凍存架使用，還能讓樣本分類更清晰，提升存儲(chǔ)管理效率。
該項(xiàng)目聯(lián)合首席研究員彼得?毛雷爾指出：“我們的發(fā)現(xiàn)不僅為活體內(nèi)量子傳感提供新方法，還開創(chuàng)了量子材料設(shè)計(jì)新思路。如今可利用自然進(jìn)化與自組裝機(jī)制，攻克當(dāng)前自旋基量子技術(shù)的部分難題?！边^去二十年，基因編碼熒光蛋白已是細(xì)胞生物學(xué)關(guān)鍵工具，將其轉(zhuǎn)化為量子傳感器后，能讓研究人員在更深層次探索生物系統(tǒng)。盡管目前僅用一種熒光蛋白，但研究顯示該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各類蛋白質(zhì)與生物系統(tǒng)，未來潛力巨大。
論文共同第一作者本杰明?索洛威稱：“這是令人興奮的轉(zhuǎn)變。以往靠熒光顯微鏡觀察生物過程，需推斷納米尺度變化，現(xiàn)在首次能直接測量活體內(nèi)量子特性?！痹跇颖巨D(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，液氮罐運(yùn)輸車憑借穩(wěn)定的低溫保持能力與減震設(shè)計(jì)，可確保樣本在跨實(shí)驗(yàn)室運(yùn)輸中不受溫度波動(dòng)影響，保障研究數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。
奧沙洛姆與毛雷爾強(qiáng)調(diào)，學(xué)生的堅(jiān)韌對(duì)項(xiàng)目成功至關(guān)重要。論文共同第一作者雅各布?費(fèi)德（今年4月獲博士學(xué)位）表示：“科研項(xiàng)目常需數(shù)年，結(jié)果充滿不確定性，本項(xiàng)目也不例外?！眾W沙洛姆補(bǔ)充：“學(xué)生們敢于冒險(xiǎn)，即便長期結(jié)果不佳仍堅(jiān)持推進(jìn)，他們的毅力是研究成功的關(guān)鍵?！?/p>
目前，蛋白質(zhì)量子比特靈敏度尚未超越鉆石缺陷制成的量子傳感器，但因其可基因編碼融入活體，潛力更具顛覆性——未來或能在量子層面觀察蛋白質(zhì)折疊、酶活性乃至疾病早期跡象。而在這些長期研究中，大容量生物液氮罐將持續(xù)為各類生物樣本提供穩(wěn)定超低溫存儲(chǔ)服務(wù)，成為保障研究連續(xù)性與樣本安全性的核心設(shè)備。
毛雷爾指出，芝加哥大學(xué)的跨學(xué)科協(xié)作環(huán)境是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵：“這類融合量子工程與分子生物學(xué)的研究，需要跨領(lǐng)域合作，而芝加哥大學(xué)恰好提供了這樣的平臺(tái)?！闭缢髀逋f：“我們正進(jìn)入量子物理與生物學(xué)邊界消融的時(shí)代，真正的變革性科學(xué)突破將在此誕生?！?/p>
來源：uchicago.edu
