|
Наши клетки превратили в квантовые компьютеры
|
|
|
|
Тесты на заболевания могут выяснить лишь часть информации. Но что, если бы существовал способ отслеживать отдельные клетки организма и, возможно, улавливать начало заболевания именно тогда, когда оно произошло? Это было бы возможно, если бы белки работали подобно кубитам в квантовом компьютере.
|
|
|
|
Есть причина, по которой биология и квантовые вычисления часто сталкиваются. Операции квантовых вычислений чрезвычайно точны и требуют среды с минимальными помехами. Кубиты — квантовый аналог двоичных битов — трудно поддерживать даже в защищенных квантовых устройствах, предназначенных для поддержания их стабильности. Это противоположно существованию в живой клетке, где ферменты катализируют реакции, а органеллы постоянно перемещаются для выполнения своих задач.
|
|
|
|
Примечательно, что исследователи из Чикагского университета нашли способ обойти это. Они генетически сконструировали флуоресцентные белки, чтобы они соответствовали белкам в организме, присоединили их к своим зеркальным белкам и манипулировали ими, чтобы они вели себя как кубиты в квантовых компьютерах.
|
|
|
|
“Генетически кодируемый кубитный сенсор молекулярного масштаба может обеспечить сверхчувствительные методы измерений для фундаментальных исследований и медицинской диагностики, которые дополняют существующие платформы квантового зондирования”, - говорится в исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature.
|
|
|
|
|
|
|
Кубиты существуют в суперпозиции, что означает, что они могут находиться в двух состояниях одновременно. Двоичные биты могут одновременно иметь только одно значение: единицу (включено) или ноль (выключено). Кубиты, несмотря на то, что содержат всего один бит информации, способны включаться и выключаться одновременно. Для обработки используется спин электрона внутри кубита, что выполнимо до тех пор, пока сохраняется суперпозиция обоих состояний и направление вращения может изменяться с огромной скоростью.
|
|
|
|
Вводят флуоресцентные белки. Обладая почти сверхъестественной способностью флуоресцировать за счет флуорофоров (флуоресцентных соединений, которые поглощают и излучают свет), образующихся внутри некоторых аминокислотных остатков, эти белки могут быть присоединены к другим биомолекулам, что позволяет исследователям получать изображения клеток на молекулярном уровне (они предпочтительнее синтетических красителей, когда дело доходит до изучения биологических процессов, таких как экспрессия генов). Усовершенствованный желтый флуоресцентный белок (EYFP) уже давно используется для этой цели, и исследователи обнаружили, что он обладает всеми необходимыми качествами, чтобы стать своего рода биологическим кубитом.
|
|
|
|
Что делает EYFP таким многообещающим, так это стабильное триплетное состояние — состояние двух электронов, имеющих параллельные спины, несмотря на то, что они находятся на разных орбитах, — в его флуорофорах. Исследователи заставили EYFP работать как кубит, воздействуя на него сверхбыстрыми лазерными импульсами, которые вызывали суперпозиционные состояния. То, как пульсируют электроны, показывает, как на беспрецедентном уровне протекают клеточные процессы. Когда суперпозиция кубитов нарушается, картина нарушений преобразуется в информацию о его окружении, например, об отклонениях от нормы в результате мутации.
|
|
|
|
Чтобы белковый кубит мог “кодировать” больше информации о том, что происходит внутри клетки, флуоресцентный белок должен быть генетически сконструирован таким образом, чтобы соответствовать белку, который ученые хотят наблюдать в данной клетке. Затем светящийся белок присоединяют к белку-мишени и воздействуют на него лазером, чтобы он достиг состояния суперпозиции, превращая его в нанозонд, который улавливает то, что происходит в клетке. Исходя из этого, ученые могут сделать вывод о том, как происходит определенный биологический процесс, как выглядят зачатки генетического заболевания или как клетки реагируют на определенные методы лечения.
|
|
|
|
И, в конечном счете, этот вид зондирования может быть использован и в небиологических приложениях.
|
|
|
|
“Направленная эволюция нашего кубита EYFP может быть использована для оптимизации его оптических и спиновых свойств и даже для получения неожиданных сведений о физике кубита”, - говорят исследователи. “Кубиты на основе белка позволяют использовать преимущества методов как квантовой информатики, так и биоинженерии, обладая потенциально трансформирующими возможностями в обеих областях”.
|
|
|
|
Источник
|
