量子技術(shù)瞄準(zhǔn)神經(jīng)退行性疾病

北京時間5月19日消息（余予）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，那么他們將看到大腦中某處的一串蛋白質(zhì)鏈將自己綁成一個畸形的結(jié)。

這種被稱為蛋白質(zhì)錯誤折疊的微觀現(xiàn)象在人類生物學(xué)中是正常的。然而，當(dāng)身體篩選這些錯誤折疊蛋白質(zhì)的機(jī)制失效時，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)會錯誤折疊以及為什么身體有時無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)提供動力，將能夠測量活細(xì)胞內(nèi)的磁場和電場、時間、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

“量子傳感器可以對當(dāng)前技術(shù)無法訪問的生物過程進(jìn)行測量，或者在疾病臨床表現(xiàn)之前對其進(jìn)行檢測。這項技術(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)方法無法看到的過程。然后，當(dāng)它被應(yīng)用于臨床環(huán)境時，你將看到新的、非常有效的疾病篩查過程——對我們目前無法檢測的疾病進(jìn)行檢測。”

了解事物

Maurer解釋說，要理解這項工作，了解一點量子力學(xué)會有所幫助。

“據(jù)我們所知，量子力學(xué)是一個偉大的理論，它幾乎可以解釋我們所知的整個世界，”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，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。

像Uri Zvi（左）和Stella Wang（中）這樣的研究生是Maurer實驗室研究過程中不可或缺的一部分，他們經(jīng)常推動項目從早期計劃到實驗。（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)將時間精確控制在100毫秒以內(nèi)。自創(chuàng)建以來，它們已經(jīng)成為GPS和現(xiàn)代衛(wèi)星通信等多項復(fù)雜技術(shù)的支柱。就像原子鐘改變了時間測量一樣，像Maurer這樣的工程師希望改變許多其他現(xiàn)象的測量。

未經(jīng)雕琢的鉆石

Maurer自博士后以來一直從事的一項研究是關(guān)于細(xì)胞中的溫度。量子系統(tǒng)對溫度變化極為敏感。例如，量子計算機(jī)需要以接近絕對零的溫度存儲才能運(yùn)行，需要一個人大小的冰箱。這種敏感性是量子計算的一個障礙，但應(yīng)用于傳感時，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，他使用實驗室制造的鉆石，在他們中心設(shè)計有特定缺陷：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改變鉆石內(nèi)部的自旋，就像用磁鐵移動指南針一樣。將其與其他工具配合使用，研究人員可以感知各種力，例如磁場和電場、壓力和溫度。

Maurer方法的優(yōu)勢在于，他可以通過一種被稱為內(nèi)吞作用的過程，將納米傳感器中的一個“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)測溫度，加熱部件并測量反應(yīng)。

了解細(xì)胞中的溫度至關(guān)重要，因為許多化學(xué)反應(yīng)都是由熱引發(fā)的，有時，這些反應(yīng)會導(dǎo)致不良結(jié)果，例如蛋白質(zhì)變性或錯誤折疊。

傳感的飛躍

目前，作為美國國家科學(xué)基金會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)錯誤折疊的機(jī)制。他們的研究可能會解鎖解決蛋白質(zhì)錯誤折疊的新方法，并為神經(jīng)退行性疾病帶來新的測試或治療方法。對于Maurer來說，這是一個將他在量子工程方面的工作應(yīng)用于一個影響許多人的問題的機(jī)會。

“量子傳感器特別有吸引力，因為它們使我們能夠探測到傳統(tǒng)技術(shù)無法訪問的分子和生物過程，”Maurer表示，“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可以從量子技術(shù)中直接受益的東西。這是使用這項技術(shù)做一些有意義的事情的能力。”

Maurer正在開發(fā)的那些量子生物傳感器仍處于早期概念驗證階段，這意味著它們可能需要一段時間才能出現(xiàn)在商業(yè)領(lǐng)域。然而，他預(yù)測醫(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。

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