Nature:重大突破！科学家成功将生物系统本身改造为量子传感器

抖音热门 2025年08月21日 21:35 1 admin

信息来源：https://phys.org/news/2025-08-scientists-cells-biological-qubit-multidisciplinary.html

芝加哥大学分子工程学院的研究团队成功将生物荧光蛋白改造为功能性量子比特，这一发表在《自然》杂志的突破性成果彻底颠覆了量子技术与生物系统相互排斥的传统观念。该团队由大卫·阿夫沙洛姆教授和彼得·毛勒教授共同领导，采用了前所未有的逆向思维——不是让人工量子传感器适应生物环境，而是直接将生物系统本身改造为量子传感器。这种蛋白质量子比特不仅能够被细胞自然产生并以原子级精度定位，其检测信号强度更是比现有量子传感器高出数千倍，为在活体系统中进行量子级别的生物过程监测铺平了道路。

研究的核心创新在于突破了量子技术的环境限制。传统量子系统需要接近绝对零度的极端低温和完全隔离的环境才能维持量子相干性，这使得它们无法在充满噪音和热运动的生物系统中工作。然而，芝加哥大学团队巧妙地利用了量子力学是所有物理现象基础这一根本事实，包括生物分子的行为。通过精确工程化改造EYFP荧光蛋白的电子结构，他们创造出了能在生物环境中稳定工作的量子比特。

研究人员设计了可以由细胞自然产生的蛋白质量子比特，为精确测量组织、单细胞甚至单个分子开辟了可能性。图片来源：杰森·史密斯

这种生物量子比特的应用前景极其广阔。在医学诊断领域，它们可以实现真正的量子级纳米核磁共振成像，揭示细胞机械结构的原子级细节。在基础生物研究中，科学家将首次能够直接测量蛋白质折叠过程、酶活性变化甚至疾病早期征象的量子特性。共同第一作者本杰明·索洛韦表示："通过荧光显微镜，科学家可以观察生物过程，但必须推断纳米尺度发生的事情。现在，我们第一次能够直接测量活体系统内的量子特性。"

跨学科融合的技术革命

这项研究代表了量子物理学、分子生物学和生物工程学的完美融合。传统的量子传感器依赖于钻石中的氮空位中心或其他人工制造的量子缺陷，这些系统虽然极其敏感，但与生物系统的兼容性很差。芝加哥大学团队选择的EYFP蛋白质在过去二十年中已成为细胞生物学的关键工具，科学家们用它来标记和追踪细胞内的各种过程。

EYFP蛋白的光物理和OADF读出方案。来源：《自然》（2025）。DOI:10.1038/41586-025-09417-w

将这种广泛使用的生物工具转化为量子传感器，需要对蛋白质的光物理特性进行精确控制。研究团队开发了一种名为OADF的全光学检测和反馈方案，能够读取和操控蛋白质中电子自旋的量子态。这种技术突破使得生物系统首次具备了量子信息处理的能力。

毛勒教授强调了这一方法的革命性意义："我们的发现不仅为在活体系统中进行量子传感开辟了新途径，还引入了设计量子材料的全新方法。具体而言，我们现在可以开始使用自然的进化和自组装工具来克服当前基于自旋的量子技术面临的一些障碍。"

这种利用生物系统自身工具的策略具有独特优势。进化过程已经优化了蛋白质结构数十亿年，使其在复杂的生物环境中保持稳定性和功能性。自组装过程能够确保蛋白质以原子级精度定位，这是人工制造技术难以达到的精度水平。此外，细胞的天然蛋白质合成机制可以大量生产这些量子传感器，无需昂贵的纳米制造设备。

研究团队还发现，这种方法具有广泛的适用性。虽然当前研究只使用了一种荧光蛋白，但理论分析表明，该技术应该能够广泛应用于各种蛋白质和系统，为未来的研究开辟了无数可能性。这种通用性意味着科学家可以根据特定的研究需求定制不同类型的蛋白质量子比特。

量子生物学的实际应用前景

生物量子比特技术的成熟将彻底改变我们理解和研究生命过程的方式。在细胞生物学领域，研究人员将能够实时监测单个蛋白质分子的构象变化，观察酶催化反应的量子效应，甚至追踪DNA复制和转录过程中的量子相干现象。这些能力将为理解生命的基本机制提供前所未有的洞察。

在医学诊断方面，蛋白质量子比特可能带来革命性突破。传统的医学成像技术受到衍射极限和信号噪声的限制，无法观察到分子级别的细节。而量子增强的成像技术能够突破这些限制，实现真正的分子级诊断。例如，科学家可以直接观察癌细胞中蛋白质的异常聚集，或者监测神经元中离子通道的实时状态变化。

药物研发领域也将受益巨大。目前，药物分子与靶标蛋白的相互作用机制往往只能通过间接方法推测。有了蛋白质量子比特，研究人员可以直接观察药物分子如何与蛋白质结合，实时监测药物效果，从而大大提高药物设计的精确性和效率。

神经科学研究可能是最大的受益者之一。大脑中神经元的信号传递涉及复杂的量子效应，传统的电生理学技术无法完全捕捉这些现象。蛋白质量子比特可以植入神经元中，实时监测神经信号传递过程中的量子相干性变化，为理解意识、记忆和学习的量子机制提供关键信息。

然而，研究团队也坦承当前技术仍有局限性。正如共同第一作者雅各布·费德所指出的："研究项目往往需要多年时间，结果远非确定。这个项目也不例外。"目前的蛋白质量子比特在敏感性方面还无法与最先进的钻石量子传感器媲美，但它们能够在活体系统中工作的独特优势弥补了这一不足。

技术挑战与未来发展方向

尽管取得了重大突破，蛋白质量子比特技术仍面临诸多技术挑战。首先是量子相干时间的延长问题。生物环境中的热噪声和分子运动会导致量子态快速退相干，限制了量子传感器的工作时间和精度。研究团队正在探索通过蛋白质工程和环境控制来延长相干时间的方法。

其次是信号读取和控制的优化。虽然OADF方案已经能够实现基本的量子态操控，但要达到实际应用所需的精度和速度，还需要进一步的技术改进。这包括开发更高效的光学激发方案、改进信号检测算法和优化反馈控制系统。

生物兼容性是另一个关键挑战。虽然荧光蛋白本身对细胞无害，但量子操控所需的激光照射和磁场可能对生物系统产生影响。研究团队需要仔细评估这些影响，并开发对生物系统扰动最小的操控方法。

标准化和规模化生产也是实际应用面临的问题。不同细胞系生产的蛋白质量子比特可能存在性能差异，需要建立严格的质量控制标准。同时，如何大规模培养能够产生高质量量子比特的细胞系也是一个技术挑战。

展望未来，研究团队已经确定了几个重要的发展方向。首先是扩展到更多类型的蛋白质，开发针对不同应用场景的专用量子比特。其次是与其他新兴技术的融合，例如将蛋白质量子比特与基因编辑技术结合，实现对特定细胞类型的精准标记和监测。

阿夫沙洛姆教授对未来充满信心："我们正在进入一个量子物理学与生物学边界开始消融的时代。这就是真正变革性科学将要发生的地方。"这一预言或许不会等待太久就能实现——随着技术的不断完善，生物量子比特有望在未来5-10年内进入实际应用阶段，为精准医学和生物研究开启全新的篇章。

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