量子技術(shù)瞄準(zhǔn)神經(jīng)退行性疾病

北京時(shí)間5月19日消息（余予）如果人類可以使用X射線視覺(jué)來(lái)觀察阿爾茨海默病最早的細(xì)胞過(guò)程，那么他們將看到大腦中某處的一串蛋白質(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)誤折疊的微觀現(xiàn)象在人類生物學(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)制失效時(shí)，結(jié)果可能導(dǎo)致阿爾茨海默病、帕金森病和亨廷頓病等神經(jīng)退行性疾病。

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(wú)法消除它們尚不清楚，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(kāi)發(fā)一些世界上最先進(jìn)的生物傳感器的原因之一。

分子工程助理教授Peter Maurer創(chuàng)造了下一代量子傳感器，將為生物和醫(yī)學(xué)研究打開(kāi)新的大門。

芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院教授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。（John Zich攝）

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。

“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。”

——芝加哥大學(xué)助理教授Peter Maurer

“量子傳感器可以對(duì)當(dāng)前技術(shù)無(wú)法訪問(wèn)的生物過(guò)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表示，“這將幫助我們了解用傳統(tǒng)方法無(wú)法看到的過(guò)程。然后，當(dāng)它被應(yīng)用于臨床環(huán)境時(shí)，你將看到新的、非常有效的疾病篩查過(guò)程——對(duì)我們目前無(wú)法檢測(cè)的疾病進(jìn)行檢測(cè)。”

了解事物

Maurer解釋說(shuō)，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，它幾乎可以解釋我們所知的整個(gè)世界，”Maurer表示，“它解釋了原子是如何聚集在一起的，以及是什么驅(qū)動(dòng)了化學(xué)反應(yīng)，這可以解釋生物學(xué)和細(xì)胞如何工作。從某種意義上說(shuō)，量子力學(xué)是我們現(xiàn)今世界上所擁有的最基本的理論。”

量子力學(xué)還包含一些最違反直覺(jué)的科學(xué)原理，如疊加和量子隧穿。多年來(lái)，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(kāi)發(fā)的方法。

像Uri Zvi（左）和Stella Wang（中）這樣的研究生是Maurer實(shí)驗(yàn)室研究過(guò)程中不可或缺的一部分，他們經(jīng)常推動(dòng)項(xiàng)目從早期計(jì)劃到實(shí)驗(yàn)。（John Zich攝）

原子鐘被認(rèn)為是量子傳感的早期形式，其可以在150億年內(nèi)將時(shí)間精確控制在100毫秒以內(nèi)。自創(chuàng)建以來(lái)，它們已經(jīng)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。

未經(jīng)雕琢的鉆石

Maurer自博士后以來(lái)一直從事的一項(xiàng)研究是關(guān)于細(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，但應(yīng)用于傳感時(shí)，它可以提供非常詳細(xì)的信息。

普利茲克分子工程助理教授Peter Maurer在顯微鏡下檢查量子傳感器。（John Zich攝）

基于這一認(rèn)知，Maurer開(kāi)發(fā)了小到可以插入生物體內(nèi)的傳感器。為了做到這一點(diǎn)，他使用實(shí)驗(yàn)室制造的鉆石，在他們中心設(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)，該缺陷具有一種被稱為自旋的量子特性。研究人員可以利用電磁輻射來(lái)改變鉆石內(nèi)部的自旋，就像用磁鐵移動(dòng)指南針一樣。將其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(guò)一種被稱為內(nèi)吞作用的過(guò)程，將納米傳感器中的一個(gè)“喂食”到活細(xì)胞中。一旦進(jìn)入細(xì)胞，Maurer的傳感器可以在不破壞細(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。

傳感的飛躍

目前，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進(jìn)挑戰(zhàn)研究所 (QuBBE) 的一部分，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。他們一起研究熱休克反應(yīng)，這是人體篩選蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊的機(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(lái)新的測(cè)試或治療方法。對(duì)于Maurer來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)將他在量子工程方面的工作應(yīng)用于一個(gè)影響許多人的問(wèn)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)到傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法訪問(wèn)的分子和生物過(guò)程，”Maurer表示，“通過(guò)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。”

Maurer正在開(kāi)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(lái)5-10年內(nèi)開(kāi)始看到它們的好處。

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