如果人類可以使用 X 射線視覺來觀察阿爾茨海默病最早的細(xì)胞過程，他們就會(huì)看到大腦中某處的一條蛋白質(zhì)鏈將自己綁成一個(gè)畸形的結(jié)。

這種被稱為蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊的微觀花邊在人類生物學(xué)中是正常的。然而，當(dāng)身體篩選這些錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的機(jī)制失敗時(shí)，結(jié)果可能導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病，如阿爾茨海默病、帕金森病和亨廷頓病。

究竟為什么蛋白質(zhì)會(huì)錯(cuò)誤折疊以及為什么身體有時(shí)無法消除它們是未知的，這也是芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院(PME) 的研究人員正在開發(fā)一些世界上最先進(jìn)的生物傳感器的原因之一。

編譯來源：Eurekalert    編輯｜感知芯視界  

據(jù)Eurekalert5月13日消息，分子工程助理教授Peter Maurer創(chuàng)造了下一代量子傳感器，將打開生物和醫(yī)學(xué)研究的新大門。

在介紹Peter Maurer的新研究之前，我們有必要了解一下什么是量子傳感器：

01 量子傳感器的定義  

一項(xiàng)技術(shù)怎樣才能認(rèn)為是量子技術(shù)？業(yè)內(nèi)研究員普遍認(rèn)為，遵循量子力學(xué)規(guī)律，利用量子的疊加性與糾纏性等量子效應(yīng)的技術(shù)，都可嚴(yán)格地認(rèn)為是量子技術(shù)。  

近年來，人們發(fā)現(xiàn)利用量子力學(xué)的基本屬性，例如量子相干，量子糾纏，量子統(tǒng)計(jì)等特性，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。因此，基于量子力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量進(jìn)行高精度的測(cè)量稱為量子傳感。

在量子傳感中，電磁場(chǎng)、溫度、壓力等外界環(huán)境直接與電子、光子、聲子等體系發(fā)生相互作用并改變它們的量子狀態(tài)，最終通過對(duì)這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度測(cè)量。而利用當(dāng)前成熟的量子態(tài)操控技術(shù)，可以進(jìn)一步提高測(cè)量的靈敏度。因此，這些電子、光子、聲子等量子體系就是一把高靈敏度的量子“尺子”——量子傳感器。  

所謂量子傳感器，可以從兩方面加以定義：  

(1)利用量子效應(yīng)、根據(jù)相應(yīng)量子算法設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行變換功能的物理裝置;  

(2)為了滿足對(duì)被測(cè)量進(jìn)行變換，某些部分細(xì)微到必須考慮其量子效應(yīng)的變換元件。  

不管從哪個(gè)方面定義，量子傳感器都必須遵循量子力學(xué)規(guī)律。可以說，量子傳感器就是根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行對(duì)系統(tǒng)被測(cè)量進(jìn)行變換的物理裝置。

比如量子雷達(dá)技術(shù)，就運(yùn)用了量子糾纏原理。根據(jù)物理學(xué)家SethLloyd的理論方案，這個(gè)過程包括將一系列糾纏光子對(duì)中的一半從一個(gè)物體上彈回來，然后將返回的光子與被阻擋的光子進(jìn)行比較。這樣做的目的是將最初發(fā)出的輻射與強(qiáng)噪聲源區(qū)分開來，發(fā)現(xiàn)隱形飛機(jī)等普通雷達(dá)無法探測(cè)到的物體，并將雷達(dá)操作員隱藏起來。  

與蓬勃發(fā)展的生物傳感器一樣，量子傳感器應(yīng)由產(chǎn)生信號(hào)的敏感元件和處理信號(hào)的輔助儀器兩部分組成，其中敏感元件是傳感器的核心，它利用的是量子效應(yīng)。  

我們?cè)賮碚f回Maurer的新研究。Maurer的納米傳感器由鉆石制成并由量子物理學(xué)提供動(dòng)力，將能夠測(cè)量活細(xì)胞內(nèi)的磁場(chǎng)和電場(chǎng)、時(shí)間、溫度和壓力。雖然他的研究仍處于早期階段，但它在醫(yī)學(xué)及其他領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的潛力。

圖片：普利茲克分子工程教授 Peter Maurer 及其同事正在使用納米級(jí)傳感器直接從細(xì)胞中傳遞關(guān)鍵信息。

量子傳感器可以對(duì)當(dāng)前技術(shù)無法訪問的生物過程進(jìn)行測(cè)量，或者在疾病臨床表現(xiàn)之前對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)具有擴(kuò)展生物物理學(xué)和分子生物學(xué)研究的潛力，”Maurer說。“這將幫助我們了解用傳統(tǒng)方法看不到的過程。然后，當(dāng)它在臨床環(huán)境中得到應(yīng)用時(shí)，你會(huì)看到新的、非常有效的疾病篩查過程——對(duì)我們目前無法檢測(cè)的疾病進(jìn)行檢測(cè)。”

02 了解事物

Maurer 解釋說，要理解這項(xiàng)工作，了解一點(diǎn)量子力學(xué)會(huì)有所幫助。

“據(jù)我們所知，量子力學(xué)是一個(gè)偉大的理論，它幾乎可以完整地解釋世界，”毛雷爾說。“它解釋了原子如何結(jié)合在一起以及驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的因素，這可以解釋生物學(xué)和細(xì)胞如何工作。從某種意義上說，量子力學(xué)是我們現(xiàn)在所擁有的世界上最基本的理論。”

量子力學(xué)還包含一些最違反直覺的科學(xué)原理，如疊加和量子隧穿。多年來，像 Maurer 這樣的工程師已經(jīng)找到了將這些原則應(yīng)用于行業(yè)變革技術(shù)開發(fā)的方法。

原子鐘可以在 150 億年內(nèi)準(zhǔn)確地將時(shí)間保持在 100 毫秒以內(nèi)，被認(rèn)為是量子傳感的早期形式。自創(chuàng)建以來，它們已成為 GPS 和現(xiàn)代衛(wèi)星通信等多項(xiàng)復(fù)雜技術(shù)的支柱。就像原子鐘改變了時(shí)間測(cè)量一樣，像 Maurer 這樣的工程師希望改變?cè)S多其他現(xiàn)象的測(cè)量。

03 粗糙的鉆石

Maurer 自博士后以來，一直從事的一項(xiàng)應(yīng)用是研究細(xì)胞中的溫度。量子系統(tǒng)對(duì)溫度變化極為敏感。例如，量子計(jì)算機(jī)需要以接近絕對(duì)零的溫度存儲(chǔ)才能運(yùn)行，需要一個(gè)人大小的冰箱。這種敏感性是量子計(jì)算的一個(gè)障礙，當(dāng)應(yīng)用于傳感時(shí)，它可以提供非常詳細(xì)的信息。

基于這種理解，Maurer 開發(fā)了小到可以插入活體生物學(xué)的傳感器。為此，他使用實(shí)驗(yàn)室制造的鉆石，其中心設(shè)計(jì)有特定缺陷：即所謂的氮空位 (NV) 中心。由于其結(jié)構(gòu)，該缺陷具有稱為自旋的量子特性。

研究人員可以使用電磁輻射來改變鉆石內(nèi)部的自旋，就像用磁鐵移動(dòng)指南針一樣。與其他工具配合使用，研究人員可以感知各種力，例如磁場(chǎng)和電場(chǎng)、壓力和溫度。

Maurer 方法的優(yōu)勢(shì)在于，他可以通過稱為內(nèi)吞作用的過程將其中一個(gè)納米傳感器“喂入”活細(xì)胞。一旦進(jìn)入細(xì)胞，Maurer 的傳感器就可以在不破壞細(xì)胞正常功能的情況下監(jiān)測(cè)溫度，加熱部件并測(cè)量反應(yīng)。

了解細(xì)胞中的溫度至關(guān)重要，因?yàn)樵S多化學(xué)反應(yīng)都是由熱引發(fā)的，有時(shí)，這些反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致不良結(jié)果，例如蛋白質(zhì)變性或錯(cuò)誤折疊。

04 傳感的飛躍

目前，Maurer 正在與 芝加哥大學(xué)分子遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)系助理教授David Pincus合作，作為美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) 生物物理和生物工程量子傳感量子躍遷挑戰(zhàn)研究所 (QuBBE) 的一部分。

他們一起研究熱休克反應(yīng)，這是人體篩選錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的機(jī)制。他們的研究可能會(huì)解鎖解決蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊的新方法，并為神經(jīng)退行性疾病帶來新的測(cè)試或治療方法。對(duì)于 Maurer 來說，這是一個(gè)將他在量子工程方面的工作應(yīng)用于影響許多人的問題的機(jī)會(huì)。

“量子傳感器特別有吸引力，因?yàn)樗鼈兪刮覀兡軌蛱綔y(cè)我們無法使用傳統(tǒng)技術(shù)訪問的分子和生物過程，”毛雷爾說。“通過這種方式，我們可以了解人類健康的內(nèi)部運(yùn)作方式，而這正是我們的社會(huì)可以從量子技術(shù)中直接受益的東西。這是使用這項(xiàng)技術(shù)做一些有意義的事情的能力。”

像 Maurer 正在開發(fā)的那些量子生物傳感器仍處于早期概念驗(yàn)證階段，這意味著它們可能需要一段時(shí)間才能出現(xiàn)在商業(yè)領(lǐng)域。然而，他預(yù)測(cè)醫(yī)學(xué)研究人員將在未來 5-10 年內(nèi)開始看到它們的好處。