Dadurch beeinflussen sie einen empfindlichen Quantenzustand, den sogenannten Spin, und machen ihn mit Licht sichtbar. Zukünftig könnten diese Erkenntnisse helfen, biochemische Prozesse in Zellen mithilfe von Radiowellen von außen zu erkennen und sogar zu steuern. Bislang wurde die Quantensensorik hauptsächlich anhand von Festkörpermaterialien wie Diamanten erforscht, in die gezielt winzige Defekte eingebracht wurden. Forscher übertragen dieses Prinzip nun auf Proteine, biologische Moleküle, die gentechnisch verändert und gezielt angepasst werden können. Dies könnte zukünftig die direkte Integration von Quantensensoren in Zellen oder Gewebe ermöglichen.
Diese proteinbasierten Sensoren eignen sich potenziell besonders gut für die Biodetektion, also für die Bildgebung lebender Zellen, Gewebe oder Organe. Theoretisch können sie direkt dort platziert werden, wo die Messung erforderlich ist, wodurch sie sich – im Gegensatz zu sperrigen Festkörpersensoren – ideal für Studien an Organismen eignen.
Dominik Bucher, Professor für Quantensensorik an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der TUM und Hauptautor der in Nature Biotechnology veröffentlichten Studie, erklärt: „Im Gegensatz zu etablierten Festkörpersystemen können proteinbasierte Ansätze nicht nur als Sensoren dienen, sondern eröffnen auch die Möglichkeit, biologische Prozesse selektiv mit Radiowellen zu steuern – eine äußerst spannende Perspektive.
Was genau haben die Forscher getan?
Forscher bestrahlten zwei lichtempfindliche Proteine – sogenannte Flavoproteine – mit blauem Licht. Ausgangspunkt war ein Cryptochrom, ein Protein, das in der Biologie als potenzieller Sensor für Magnetfelder bei Vögeln untersucht wird. Die für die Studie verwendeten Proteinproben wurden von der Arbeitsgruppe von Professor Erik Schleicher an der Universität Freiburg bereitgestellt. Licht erzeugt in Proteinen spinkorrelierte Radikalpaare und außergewöhnliche Spineigenschaften: Dabei handelt es sich um gekoppelte Elektronenpaare, die extrem empfindlich auf Magnetfelder reagieren. Dieses Verhalten lässt sich durch die Lumineszenzintensität dieser Proteine sichtbar machen.
Anschließend setzten die Forscher gezielt Radiowellen ein und konnten so die Lumineszenz der Proteine – und damit die zugrundeliegenden Radikalpaare – verändern. Dies beweist, dass empfindliche Quantenzustände in der biologischen Umgebung durch elektromagnetische Felder beeinflusst werden können. Die Proteine fungieren als Sensoren für Magnetfelder und können sogar deren Verteilung in den Proben sichtbar machen.
Das Signal wird rein optisch mittels Licht ausgelesen, ähnlich wie bei Festkörper-Quantensensoren. Obwohl es sich um Grundlagenforschung handelt, bergen die Ergebnisse großes Potenzial für biotechnologische Anwendungen in naher Zukunft. Kun Meng, Doktorand an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der TUM und Erstautor der Studie, erklärt: „Die Möglichkeiten reichen von biologischen Quantensensoren bis hin zu per Funkwellen gesteuerter Zellaktivität, wie beispielsweise der Genexpression aus der Ferne.“
