À première vue, la biologie et la technologie quantique semblent incompatibles. Les systèmes vivants fonctionnent dans des environnements chauds et bruyants pleins de mouvement constant, tandis que la technologie quantique nécessite généralement une isolement extrême et des températures près de zéro absolue pour fonctionner.
Mais la mécanique quantique est le fondement de tout, y compris dans les molécules biologiques. Désormais, les chercheurs de l'École de génie moléculaire de l'Université de Chicago (UCHicago PME) ont transformé une protéine trouvée dans les cellules vivantes en un bit quantique fonctionnel (Qubit), le fondement des technologies quantiques. Le qubit protéique peut être utilisé comme capteur quantique capable de détecter les changements infimes et, finalement, offrant un aperçu sans précédent des processus biologiques.
« Plutôt que de prendre un capteur quantique conventionnel et d'essayer de le camoufler pour entrer dans un système biologique, nous voulions explorer l'idée d'utiliser un système biologique lui-même et de le développer en qubit », a déclaré David Awschalom, co-éloigneur co-principale du projet, professeur de famille de Liew (CQE). « Exploiter la nature pour créer des familles puissantes de capteurs quantiques – c'est la nouvelle direction ici. »
L'avance interdisciplinaire est publiée dans Nature.
Contrairement aux nanomatériaux d'ingénierie, les qubits protéiques peuvent être construits directement par des cellules, positionnés avec une précision atomique et détecter des signaux des milliers de fois plus forts que les capteurs quantiques existants. Pour l'avenir, ces qubits protéiques pourraient conduire une révolution dans l'IRM nanométrique compatible quantique, révélant la structure atomique de la machinerie cellulaire et transformant notre façon de réaliser des recherches biologiques. Au-delà de la biologie, les qubits protéiques pourraient également ouvrir de nouvelles frontières pour faire progresser la technologie quantique elle-même.
« Nos résultats permettent non seulement de nouvelles façons de détecter les systèmes de vie quantique à l'intérieur des systèmes de vie, mais introduisent également une approche radicalement différente de la conception de matériaux quantiques », a déclaré Peter Maurer, co-chercheur et professeur adjoint de génie moléculaire à Uchicago. « Plus précisément, nous pouvons maintenant commencer à utiliser les propres outils d'évolution et d'auto-assemblage de la nature pour surmonter certains obstacles auxquels sont confrontés la technologie quantique basée sur le spin. »
Des protéines fluorescentes génétiquement codées comme celle utilisée dans cette étude sont devenues un outil crucial en biologie cellulaire au cours des deux dernières décennies, permettant aux scientifiques d'étudier les processus qui se déroulent dans une cellule. Transformer l'une de ces protéines en un capteur quantique permet la recherche en systèmes biologiques à un niveau encore plus profond et plus précis. Et bien que cette recherche n'utilise qu'un type de protéine fluorescente, les chercheurs disent qu'il devrait fonctionner largement dans de larges classes de protéines et de systèmes, ouvrant une myriade de possibilités pour une étude future.
« Il s'agit d'un changement vraiment excitant », a déclaré Benjamin Soloway, co-primitif, Benjamin Soloway, un Ph.D. candidat au laboratoire d'Awschalom. « Grâce à la microscopie par fluorescence, les scientifiques peuvent voir des processus biologiques mais doivent déduire ce qui se passe à l'échelle nanométrique. Maintenant, pour la première fois, nous pouvons mesurer directement les propriétés quantiques à l'intérieur des systèmes vivants. »
Awschalom et Maurer ont souligné que la ténacité des étudiants de l'équipe était vitale pour le succès du projet.
« Les projets de recherche prennent souvent plusieurs années, et les résultats sont loin d'être certains. Ce projet n'a pas fait exception », a déclaré Jacob Feder, co-premier auteur du journal et ancien étudiant d'Awschalom et de Maurer. Feder a reçu son doctorat. en avril.
« Ce travail n'était possible que parce que nos étudiants ont eu le courage de prendre des risques et de faire avancer même lorsque les résultats semblaient décourageants pendant un certain temps », a déclaré Awschalom. « Leur persistance est ce qui a réussi à réussir cette découverte – c'était un projet difficile. »
Les nouveaux qubits à base de protéines ne rivalisent pas encore avec la sensibilité des meilleurs capteurs quantiques d'aujourd'hui, généralement fabriqués à partir de défauts en diamant. Mais parce qu'ils peuvent être génétiquement codés en systèmes vivants, ils promettent quelque chose de bien plus radical: la capacité de regarder la biologie se dérouler au niveau quantique, du repliement des protéines et de l'activité enzymatique aux premiers signes de maladie.
Comme l'a dit Soloway, « nous entrons dans une époque où la frontière entre la physique quantique et la biologie commence à se dissoudre. C'est là que la science vraiment transformatrice se produira. »
