Ao fazê-lo, influenciam um estado quântico sensível conhecido como spin e tornam-no visível através da luz. No futuro, estas descobertas poderão ajudar a detetar e até a direcionar processos bioquímicos em células, simplesmente do exterior, utilizando ondas de rádio. Até agora, a deteção quântica era compreendida principalmente a partir de materiais de estado sólido, como os diamantes, nos quais eram deliberadamente introduzidos minúsculos defeitos. Os investigadores estão agora a transferir este princípio para as proteínas, moléculas biológicas que podem ser geneticamente modificadas e especificamente adaptadas. No futuro, isto poderá permitir a integração direta de sensores quânticos em células ou tecidos.
Estes sensores à base de proteínas são potencialmente muito adequados para a biodeteção, ou seja, para a imagiologia de células, tecidos ou órgãos vivos. Em teoria, podem ser colocados diretamente onde a medição é necessária, tornando-os ideais para estudos em organismos, ao contrário dos volumosos sensores de estado sólido.
Dominik Bucher, professor de Sensoriamento Quântico na Faculdade de Ciências Naturais da TUM e autor sénior do estudo publicado na Nature Biotechnology, explica: "Ao contrário dos sistemas estabelecidos baseados no estado sólido, as abordagens baseadas em proteínas podem não só servir como sensores, mas também abrir a possibilidade de controlar seletivamente os processos biológicos com ondas de rádio – uma perspetiva extremamente entusiasmante.
O que fizeram exatamente os investigadores?
Os investigadores irradiaram duas proteínas fotossensíveis — chamadas flavoproteínas — com luz azul. O ponto de partida foi um criptocromo, uma proteína estudada em biologia como potencial sensor de campos magnéticos nas aves. As amostras de proteína utilizadas no estudo foram cedidas pelo grupo de investigação do Professor Erik Schleicher, da Universidade de Freiburg. A luz gera pares de radicais com spins correlacionados e propriedades de spin extraordinárias nas proteínas: trata-se de pares de eletrões acoplados que são extremamente sensíveis a campos magnéticos. Este comportamento pode ser visualizado através da intensidade da luminescência destas proteínas.
De seguida, os investigadores aplicaram deliberadamente ondas de rádio e conseguiram alterar a luminescência das proteínas — e, consequentemente, os pares de radicais subjacentes. Isto demonstra que os estados quânticos sensíveis no ambiente biológico podem ser influenciados por campos eletromagnéticos. As proteínas atuam como sensores de campos magnéticos e podem mesmo tornar visíveis as distribuições destes campos nas amostras.
O sinal é lido puramente por meios óticos, utilizando luz, de forma semelhante aos sensores quânticos de estado sólido. Embora se trate de investigação básica, as descobertas têm um grande potencial para aplicações biotecnológicas a curto prazo. Kun Meng, estudante de doutoramento na Faculdade de Ciências Naturais da TUM e primeiro autor do estudo, explica: "As possibilidades variam desde sensores quânticos biológicos a atividades celulares controladas por ondas de rádio, como a expressão remota de genes."
