Биофизики впервые научились управлять квантовыми процессами внутри белков
Ученые из факультета инженерных наук Оксфордского университета впервые в мире продемонстрировали, что квантовые эффекты можно интегрировать в белки. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Белки, которые реагируют на магнитное поле
Команда разработала особый класс белков — магниточувствительные флуоресцентные (МФБ). Эти белки реагируют на свет и магнитные поля, испуская флуоресцентное свечение, которое можно контролировать. Свет определенной длины возбуждает белок, а он излучает свет другой длины. При этом магнитные или радиочастотные поля могут менять интенсивность свечения, позволяя «считывать» информацию о состоянии молекулы.
«Меня поражает сила эволюции. Мы еще не знаем, как с нуля создать такой сенсор, но, направляя эволюционный процесс в бактериях, природа нашла для нас способ», — говорит первый автор Габриэль Абрахамс.
На иллюстрации показан процесс работы магниточувствительных флуоресцентных белков. Белок сначала «включается» синим светом, который его возбуждает. В ответ белок испускает свет другого цвета — зеленый. Яркость этого зеленого света можно менять с помощью магнитного поля или радиоволн нужной силы и частоты.
Как создавали белки
Белки были созданы с помощью направленной эволюции. В ДНК, кодирующую белок, вносят тысячи случайных мутаций, формируя множество вариантов с различными свойствами. После этого отбирают наиболее эффективные, повторяя процесс многократно. В результате получаются белки, способные взаимодействовать с магнитными полями на молекулярном уровне.
«Этот подход показывает, насколько непредсказуем путь от фундаментальной науки к технологическому прорыву. Все началось с изучения природных процессов: белки для МФБ изначально были найдены в овсе, а квантовые эффекты ранее наблюдались у птиц, которые ориентируются по магнитному полю Земли», — отмечает доцент Харрисон Стил.
Применение в медицине и биотехнологии
Ученые уже создали прототип прибора, способного обнаруживать модифицированные белки внутри живых организмов. Это открывает новые возможности для медицины: мониторинг экспрессии генов, отслеживание изменений в опухолях, контроль доставки лекарств на молекулярном уровне. В отличие от МРТ, МФБ позволяют работать не с органами или тканями, а с конкретными молекулами, что существенно повышает точность исследований.
Кроме того, белки могут применяться для изучения фундаментальных биологических процессов, где квантовые эффекты играют ключевую роль, например, в фотосинтезе или в навигации животных. Исследователи планируют расширить возможности МФБ для мультифункциональных сенсорных платформ, которые объединят свет, магнитные и радиочастотные сигналы для комплексного анализа живых систем.
«Наши белки показывают потенциал нового поколения биосенсоров и квантовых биотехнологий, — говорит Абрахамс. — Это только начало исследований по интеграции квантовых процессов в живые системы».
