Bilim insanları, protein tabanlı kuantum bitlerini (qubit) kullanarak biyolojik araştırmalarda çığır açan bir keşfe imza attı. Bu yeni teknoloji, canlı hücrelerin içine yerleştirilebilen biyolojik qubit'ler aracılığıyla hücre içindeki manyetik ve elektriksel sinyalleri algılamayı mümkün kılıyor.
Yapılan araştırmada, bir floresan proteininin biyolojik bir qubit'e dönüştürülebileceği ve bu sayede hücre içinde doğrudan üretilip kullanılabileceği ortaya kondu. Bu gelişme, kuantum teknolojisinin biyolojik sistemlerde kullanımını hızlandırma potansiyeli taşıyor.
Araştırmacılar, doğanın kendi evrim ve kendi kendine birleşme mekanizmalarını kullanarak mevcut kuantum teknolojisinin karşılaştığı bazı engelleri aşabileceklerini belirtiyor. Bu yaklaşım, gelecekte kuantum sensörlerin aşırı soğutma ve izolasyon gereksinimini ortadan kaldırabilir.
Floresan Proteinlerin Gizemli Gücü Ortaya Çıkıyor
Floresan proteinler, genellikle deniz canlılarında bulunan ve bir dalga boyundaki ışığı emerek daha uzun bir dalga boyunda geri yayma yeteneğine sahip moleküllerdir. Bu özellik, bazı denizanası türlerinin parlamasını sağlar ve biyologlar tarafından hücreleri işaretlemek veya proteinleri birleştirmek için yaygın olarak kullanılır.
Bilim insanları, bu proteinlerde bulunan ve ışık yayımını sağlayan floroforun, metastabil bir üçlü duruma sahip olabilmesi nedeniyle qubit olarak kullanılabileceğini keşfetti. Bu durumda, bir molekül ışığı emerek iki yüksek enerjili elektronun paralel spin ile uyarıldığı bir duruma geçer. Bu durum, doğrudan gözlemlenene veya dış bir etkiyle bozulana kadar kuantum mekaniği açısından birden fazla durumun süperpozisyonunda kalır.
Bu yeteneği kullanmak için araştırmacılar, lazer ışığı kullanarak biyolojik numunelerin yüksek çözünürlüklü görüntülerini oluşturan özel bir konfokal mikroskop geliştirdiler. Bu sistem, geliştirilmiş sarı floresan proteininin (EYFP) spin durumunu optik olarak kontrol ederek, saf protein, insan böbrek hücresi ve E.coli bakterisi içinde bir qubit olarak kullanmayı başardı.
Lazer mikroskop, ilk olarak 488 nanometrelik optik bir darbe ile EYFP'de bir spin durumu başlattı. Ardından, yakın kızılötesi lazer darbesi, üçlü spin durumunun okunmasını sağladı ve araştırmacılar, proteinin çalışan bir qubit olarak kullanılabileceğini gösteren yeterli spin farkını tespit etti. Spin başlatıldıktan sonra, araştırmacılar mikrodalgalar kullanarak spinin iki seviye arasında tutarlı bir salınım yapmasını sağladı. Böylece, üçlü durum çökene kadar yaklaşık 16 mikrosaniye boyunca protein bir qubit gibi davrandı.
Biyolojik Alanlarda Yeni Bir Çağ Başlıyor
Biyolojik qubit'lerin lazer ışığıyla uyarılıp elektronlarının hareketinin gözlemlenmesi, bu yapının bir kuantum sensörü olarak kullanılabileceği ve hücre içindeki olayları hassas bir şekilde algılayabileceği anlamına geliyor.
Bu teknoloji, protein katlanması, hücrelerdeki biyokimyasal reaksiyonların takibi ve ilaçların hedef hücrelere ve proteinlere nasıl bağlandığının izlenmesi gibi nano ölçekteki biyolojik fonksiyonlar hakkında önemli bilgiler sağlayabilir. Ayrıca, tıbbi görüntüleme ve hastalık yollarının erken teşhisi alanlarında da ilerlemelere yol açabilir.
Ancak, biyolojik qubit'lerin tam potansiyeline ulaşması için bazı zorlukların aşılması gerekiyor. Floresan proteinin spin durumunu etkili bir şekilde manipüle etmek için, yapının sıvı nitrojen sıcaklıklarında tutulması gerektiği belirlendi. Biyolojik qubit, karmaşık bir memeli hücresi ortamında etkili bir şekilde kullanılabileceğini kanıtlamış olsa da, hala -98.15 santigrat dereceye kadar soğutulması gerekiyor.
Oda sıcaklığında bu teknik, bakteri hücrelerinde manyetik rezonansın optik olarak algılanmasıyla işlev görse de, ancak %8'e kadar kontrast sağlıyor ve EYFP spin durumunun hızla tükenmesine neden oluyor. Ayrıca, biyolojik kuantum sensörlerinin hassasiyeti, elmas kusurları gibi katı hal sensörlerinin gerisinde kalıyor. Bu nedenle, biyolojik qubit'lerin ve hücre içindeki kuantum sensörlerin biyoloji ve tıpta pratik araçlar haline gelmeden önce stabilite ve hassasiyet üzerinde daha fazla çalışma yapılması gerekiyor.
Buna rağmen, bu çalışma, sadece bir konsept kanıtlama aşamasını aşarak önemli bir ilerleme kaydedildiğini gösteriyor. Bir qubit'in doğrudan bir hücreye kodlanabilmesi, kuantum fiziği ile biyoloji arasındaki sınırların bulanıklaştığı yeni bir kuantum teknolojisi yolu açıyor.
