Ce faisant, ils influencent un état quantique sensible appelé spin et le rendent visible grâce à la lumière. À l'avenir, ces découvertes pourraient permettre de détecter, voire de diriger, des processus biochimiques au sein des cellules, simplement de l'extérieur grâce aux ondes radio. Jusqu'à présent, la détection quantique était principalement appréhendée à partir de matériaux solides, tels que les diamants, dans lesquels de minuscules défauts étaient délibérément introduits. Les chercheurs appliquent désormais ce principe aux protéines, molécules biologiques qui peuvent être modifiées génétiquement et adaptées sur mesure. À terme, cela pourrait permettre l'intégration directe de capteurs quantiques dans les cellules ou les tissus.
Ces capteurs à base de protéines sont potentiellement particulièrement adaptés à la biodétection, c'est-à-dire à l'imagerie de cellules, de tissus ou d'organes vivants. En théorie, ils peuvent être placés directement à l'endroit où la mesure est nécessaire, ce qui les rend idéaux pour les études sur les organismes, contrairement aux capteurs à semi-conducteurs volumineux.
Dominik Bucher, professeur de détection quantique à la faculté des sciences naturelles de l'université technique de Munich (TUM) et auteur principal de l'étude publiée dans Nature Biotechnology, explique : «Contrairement aux systèmes à l'état solide classiques, les approches à base de protéines peuvent non seulement servir de capteurs, mais aussi ouvrir la possibilité de contrôler sélectivement les processus biologiques grâce aux ondes radio – une perspective extrêmement prometteuse.
Qu'ont fait exactement les chercheurs ?
Des chercheurs ont irradié deux protéines photosensibles, appelées flavoprotéines, avec de la lumière bleue. Leur point de départ était un cryptochrome, une protéine étudiée en biologie pour son rôle potentiel de capteur de champs magnétiques chez les oiseaux. Les échantillons de protéines utilisés dans cette étude ont été fournis par l'équipe du professeur Erik Schleicher, à l'université de Fribourg. La lumière génère des paires de radicaux à spin corrélé et des propriétés de spin exceptionnelles dans les protéines : il s'agit de paires d'électrons couplées extrêmement sensibles aux champs magnétiques. Ce comportement est mis en évidence par l'intensité de luminescence de ces protéines.
Ensuite, les chercheurs ont appliqué délibérément des ondes radio et sont parvenus à modifier la luminescence des protéines, et donc celle des paires de radicaux sous-jacentes. Ceci démontre que les états quantiques sensibles du milieu biologique peuvent être influencés par les champs électromagnétiques. Les protéines agissent comme des capteurs de champs magnétiques et peuvent même rendre visibles les distributions de ces champs dans les échantillons.
Le signal est lu de manière purement optique, grâce à la lumière, à l'instar des capteurs quantiques à semi-conducteurs. Bien qu'il s'agisse de recherche fondamentale, ces résultats présentent un fort potentiel pour des applications biotechnologiques à court terme. Kun Meng, doctorant à la Faculté des sciences naturelles de l'Université technique de Munich (TUM) et premier auteur de l'étude, explique : « Les possibilités sont vastes, allant des capteurs quantiques biologiques à l'activité cellulaire contrôlée par ondes radio, comme l'expression génique à distance. »
