In tal modo, influenzano uno stato quantistico sensibile noto come spin e lo rendono visibile attraverso la luce. In futuro, queste scoperte potrebbero aiutare a rilevare e persino a dirigere i processi biochimici nelle cellule semplicemente dall'esterno utilizzando le onde radio. Finora, la comprensione del rilevamento quantistico era principalmente legata a materiali allo stato solido, come i diamanti, nei quali venivano introdotti deliberatamente minuscoli difetti. I ricercatori stanno ora trasferendo questo principio alle proteine, molecole biologiche che possono essere modificate geneticamente e specificamente adattate. In futuro, ciò potrebbe consentire l'integrazione diretta di sensori quantistici in cellule o tessuti.
Questi sensori a base proteica sono potenzialmente particolarmente adatti alla biodetenzione, ovvero all'imaging di cellule, tessuti o organi viventi. In teoria, possono essere posizionati direttamente dove è necessaria la misurazione, il che li rende ideali per gli studi sugli organismi, a differenza dei sensori a stato solido, che risultano ingombranti.
Dominik Bucher, professore di rilevamento quantistico presso la Facoltà di Scienze Naturali della TUM e autore senior dello studio pubblicato su Nature Biotechnology, spiega: "A differenza dei sistemi consolidati basati sullo stato solido, gli approcci basati sulle proteine non solo possono fungere da sensori, ma aprono anche la possibilità di controllare selettivamente i processi biologici con le onde radio: una prospettiva estremamente interessante.
Che cosa hanno fatto esattamente i ricercatori?
I ricercatori hanno irradiato con luce blu due proteine fotosensibili, chiamate flavoproteine. Il punto di partenza era un criptocromo, una proteina studiata in biologia come potenziale sensore di campi magnetici negli uccelli. I campioni proteici utilizzati nello studio sono stati forniti dal gruppo di ricerca del professor Erik Schleicher presso l'Università di Friburgo. La luce genera coppie di radicali correlate allo spin e straordinarie proprietà di spin nelle proteine: si tratta di coppie di elettroni accoppiate estremamente sensibili ai campi magnetici. Questo comportamento può essere reso visibile attraverso l'intensità della luminescenza di queste proteine.
In seguito, i ricercatori hanno applicato deliberatamente onde radio e sono riusciti ad alterare la luminescenza delle proteine, e quindi delle coppie di radicali sottostanti. Ciò dimostra che gli stati quantistici sensibili nell'ambiente biologico possono essere influenzati dai campi elettromagnetici. Le proteine agiscono come sensori di campi magnetici e possono persino rendere visibili le distribuzioni dei campi magnetici nei campioni.
Il segnale viene letto esclusivamente per via ottica, utilizzando la luce, in modo simile ai sensori quantistici a stato solido. Sebbene si tratti di ricerca di base, i risultati hanno un grande potenziale per applicazioni biotecnologiche a breve termine. Kun Meng, dottorando presso la Facoltà di Scienze Naturali della TUM e primo autore dello studio, spiega: "Le possibilità spaziano dai sensori quantistici biologici all'attività cellulare controllata tramite onde radio, come l'espressione genica a distanza".
