Prispevek na spletnih straneh Univerze v Oxfordu v rubriki Novice o raziskavi ekipe z Oddelka za inženirske vede Univerze v Oxfordu, objavljena v reviji Nature (Abrahams et al. Quantum spin resonance in engineered proteins for multimodal sensing (2026). Nature 649, 1172-1179 – https://doi.org/10.1038/s41586-025-09971-3 – open access article pdf – CC BY 4.0), ki predstavlja prvi primer načrtnega inženiringa kvantnomehanskih procesov znotraj proteinov, kar odpira pot novi generaciji kvantnih biotehnologij.
Prispevek opisuje razvoj in uporabo MagLOV, nove vrste genetsko zasnovanih fluorescenčnih proteinov, ki omogočajo kvantno zaznavanje v živih celicah pri sobni temperaturi. Znanstveniki so z usmerjeno evolucijo optimizirali te proteine, da se njihova svetilnost odziva na magnetna polja in radijske frekvence preko mehanizma radikalskih parov. Ta tehnologija omogoča napredne diagnostične metode, vključno z optično magnetno resonanco (ODMR) na ravni posamezne celice in prostorsko lokalizacijo signalov v 3D okolju. Avtorji dokazujejo, da lahko ti proteini služijo kot molekularni senzorji za spremljanje mikrookolja, denimo za zaznavanje paramagnetnih snovi. Gre za pomemben preboj, saj MagLOV združuje prednosti kvantnih meritev z biološko prilagodljivostjo proteinov, ki jih celice proizvajajo same. Celoten sistem odpira nove poti za visoko zmogljivo slikanje in natančno krmiljenje bioloških procesov z magnetnimi polji.
V nadaljevanju podajamo povzetek prispevka.
Ključna inovacija: Magnetno občutljivi fluorescentni proteini (MFP)
Raziskovalci so razvili nov razred biomolekul, imenovanih magnetno občutljivi fluorescentni proteini (angl. Magneto-responsive fluorescent protein – MFP). Ti proteini ob izpostavljenosti določenim valovnim dolžinam svetlobe izkazujejo specifične kvantnomehanske interakcije.
- Mehanizem delovanja: MFP-je vzbudi svetloba (npr. modra LED-dioda), nakar ti oddajajo fluorescenčno svetlobo.
- Kvantni nadzor: Intenzivnost te fluorescence je mogoče modulirati z uporabo magnetnih polj ali radiofrekvenčnih (RF) polj ustrezne moči in frekvence.
- Izvor: Proteini so bili razviti s tehniko usmerjene evolucije (directed evolution). Z vnašanjem naključnih mutacij v zaporedje DNA in izbiro najučinkovitejših različic skozi več generacij so dosegli bistveno večjo občutljivost na magnetna polja.
Tehnološki preboj
Kvantni učinki so v naravi že prisotni (npr. pri navigaciji ptic), vendar ta študija pomeni premik od opazovanja k aktivnemu načrtovanju za praktično uporabo.
- Interdisciplinarni pristop: Projekt je združil inženirsko biologijo, kvantno fiziko in umetno inteligenco (AI).
- Biološki izvor: Zanimivo je, da so proteini, ki so služili kot izhodišče za razvoj MFP-jev, izvorno pridobljeni iz navadnega ovsa.
Potencialne aplikacije
Ekipa je že izdelala prototip naprave za slikanje, ki deluje podobno kot magnetna resonanca (MRI), vendar z natančnostjo na molekularni ravni.
- Biomedicina: Sledenje specifičnim molekulam ali genskemu izražanju znotraj živega organizma.
- Spremljanje bolezni: Možnost spremljanja genetskih sprememb v tumorjih in izboljšanje ciljne dostave zdravil.
- Večnamensko zaznavanje: Uporaba proteinov kot bioloških kvantnih senzorjev za kompleksne meritve v realnem času.
Povzetek prispevka kot predstavitev z zdrski.