دانشمندان پروتئین سلولی پرکاربرد را به کیوبیت تبدیل کردند

عنوان خبر: دانشمندان پروتئین سلولی پرکاربرد را به کیوبیت تبدیل کردند
ژانر/موضوع: حسگری کوانتومی، زیست‌شناسی کوانتومی

تاریخ انتشار خبر: 20 آگوست 2025
لینک خبر: The Quantum Insider

چکیده:

محققان دانشگاه شیکاگو نشان داده‌اند که مولکول بیولوژیکی پروتئین فلورسنت زرد تقویت‌شده (EYFP)، که در زیست‌شناسی سلولی به‌طور گسترده استفاده میشود، میتواند به‌عنوان یک کیوبیت عمل کند. آنها با بهره‌گیری از حالت سه‌گانه شبه‌پایدار EYFP، توانستند کنترل اسپین نوری با کنتراست خوانش تا ۲۰ درصد و زمان‌های همدوسی در حدود ۱۶ میکروثانیه در پروتئین‌های خالص به دست آورند. به طرز شگفت‌انگیزی، EYFP رفتار کوانتومی خود را در سلول‌های پستانداران در دمای کرایوژنیک و همچنین در باکتری‌ها در دمای اتاق حفظ کرد و سیگنال‌های رزونانس اسپینی قابل‌تشخیص ایجاد نمود. این امر پروتئین‌های فلورسنت را به عنوان حسگرهای کوانتومی قابل کدگذاری ژنتیکی، قادر به عملکرد در سیستم‌های زنده، معرفی می‌کند. اگرچه چالش‌هایی مانند فتوبلیچینگ و حساسیت محدود همچنان باقی است، اما پیشرفت در مهندسی پروتئین و تکنیک‌های نوری میتواند آغازگر افقی تازه در زیست‌شناسی کوانتومی باشد.

شرح کامل خبر:

پژوهشگران در دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو به دستاوردی چشمگیر در مرز میان علم کوانتوم و زیست‌شناسی رسیده‌اند: آن‌ها نشان داده‌اند که یک مولکول زیستی پرکاربرد، یعنی پروتئین فلورسنت زرد تقویت‌شده (EYFP)، می‌تواند به‌عنوان یک کیوبیت (بیت کوانتومی) عمل کند. یافته‌های آن‌ها که در نشریه Nature منتشر شده، پروتئین‌های فلورسنت را نه‌تنها ابزار میکروسکوپی، بلکه گزینه‌هایی برای بسترهای کوانتومی رمزگذاری‌پذیر ژنتیکی معرفی می‌کند.

به‌طور سنتی، مهندسی کیوبیت بر سیستم‌های حالت‌جامد مانند مدارهای ابررسانا یا مراکز نیتروژن-تهی جای در الماس متمرکز بوده است. این بسترها اگرچه قدرتمندند، اما ادغام آن‌ها در سامانه‌های زنده دشوار است. در مقابل، EYFP که ابزاری اساسی در زیست‌شناسی سلولی برای تصویربرداری از پروتئین‌ها و فرایندهای سلولی است، حالا قابلیت جدیدی نشان داده است. تیم شیکاگو با استفاده از حالت سه‌تایی شبه‌پایدار (metastable triplet state) این پروتئین ــ حالتی کوانتومی که اسپین الکترون‌ها به‌اندازه کافی دوام می‌آورند تا بتوان آن‌ها را کنترل کرد ــ موفق به تحقق کیوبیت‌های اسپینِ قابل‌کنترل با نور شدند.

در پروتئین‌های خالص‌شده، آن‌ها از پالس‌های لیزر نزدیک مادون‌قرمز برای خوانش اسپین با کنتراست تا ۲۰٪ در دماهای کرایوژنیک استفاده کردند و میدان‌های مایکروویو کنترل همدوس اسپین را ممکن ساختند. با به‌کارگیری توالی‌های «دکوپل‌سازی دینامیکی»، زمان همدوسی حدود ۱۶ میکروثانیه به دست آمد که با سایر کاندیداهای مولکولی کیوبیت قابل مقایسه است. مهم‌تر اینکه این رفتار کوانتومی در سلول‌های پستانداران در دمای پایین و حتی در سلول‌های باکتریایی در دمای اتاق نیز مشاهده شد، جایی که رزورانس مغناطیسی اپتیکی با کنتراست تا ۸٪ به ثبت رسید.

این دستاورد نشان می‌دهد پروتئین‌ها می‌توانند به‌عنوان حسگرهای کوانتومی نانومقیاس در محیط‌های زنده عمل کنند و در برابر «نویز» زیستی مقاوم باشند. کاربردهای احتمالی شامل آشکارسازی میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی، اندازه‌گیری دما در مقیاس نانو، نقشه‌برداری از تغییر شکل پروتئین‌ها و ردیابی برهم‌کنش‌های دارو-هدف با دقت بی‌سابقه است.

گرچه کیوبیت‌های EYFP هنوز حساسیت کمتری نسبت به بسترهای مبتنی بر الماس دارند و با چالش‌هایی همچون فوتوبلیچینگ (photobleaching) و زمان همدوسی محدود روبه‌رو هستند، پژوهشگران بهبودهایی از طریق مهندسی پروتئین، جایگزینی ایزوتوپی و تکنیک‌های اپتیکی پیشرفته متصورند. با بهره‌گیری از ابزارهای طبیعی تکامل و خودآرایی، کیوبیت‌های پروتئینی می‌توانند مرزهای حسگری کوانتومی و زیست‌شناسی کوانتومی را بازتعریف کنند و افقی نو بگشایند که در آن مکانیک کوانتومی ماشین مولکولی حیات را روشن می‌سازد.

منابع:

[1] https://thequantuminsider.com/2025/08/20/proteins-double-as-qubits-a-step-that-could-one-day-bridge-quantum-computing-and-biology/

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-025-09417-w

دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.