Квантові клітини: як біологія та квантова механіка можуть об’єднатися для революції в науці
Уявіть собі світ, де ми можемо спостерігати за життям клітин з неймовірною точністю, щоб побачити, як вони працюють зсередини, і навіть використовувати їх як квантові датчики для виявлення найдавніших ознак захворювань. Звучить як наукова фантастика? Можливо, але прорив, досягнутий вченими Чиказького університету, наближає нас до цієї реальності. Їх робота, присвячена створенню «флуоресцентного біологічного кубічного», є захоплюючим злиттям біології та квантової механіки, яка може відкрити абсолютно нові можливості для наукових досліджень та медичних технологій.
Я, як людина, яка захоплюється як біологією, так і технологіями, з великим інтересом я дотримуюся розвитку квантових технологій. Ідея про те, що ми можемо використовувати живі клітини як будівельні блоки для квантових пристроїв, здається неймовірно перспективною. Традиційно квантові розрахунки та датчики вимагали екстремальних умов – кріогенні температури, вакуум, складна електроніка. Робота з живими системами, які самі по собі є складними та динамічними, здавалися неможливими. Але цей прорив показує, що можна інтегрувати квантові принципи в живі біологічні системи.
Квантові біти з білків: новий підхід до квантових розрахунків
Ця революція заснована на використанні флуоресцентних білків, які давно застосовуються в біологічних дослідженнях. Ці білки, завдяки їх здатності поглинати та випромінювати світло, дозволяють “виділити” клітини та спостерігати за їх функціями. Але вчені Чиказького університету зробили ще один крок: вони виявили, що фторофорин у цих білках може використовуватися як куб – основна одиниця квантової інформації.
Куб, на відміну від класичного біт, який може зайняти лише значення 0 або 1, може бути в стані суперпозиції, тобто одночасно представляти обидва значення. Це дозволяє квантовим комп’ютерам проводити розрахунки набагато швидше і вирішувати проблеми, які недоступні для класичних комп’ютерів.
Використання білків як кубів має кілька переваг. По -перше, це дозволяє створювати квантові пристрої безпосередньо всередині клітин, що виключає необхідність складної зовнішньої електроніки. По -друге, це дозволяє використовувати існуючі методи мікроскопії для моніторингу роботи квантових пристроїв. І нарешті, це дозволяє використовувати еволюцію та самостійність природи для створення більш стійких та ефективних квантових пристроїв.
Як це працює: флуоресценція та стан спіну
Ключовим моментом полягає у здатності флуоресцентних білків переходити в метастабільний триплетний стан. Коли молекула поглинає світло, його електрони переходять у збуджений стан, а їх спинки побудовані паралельно. Цей стан спіну може бути використаний як дитина.
Вчені розробили унікальний конфокальний мікроскоп, який використовує лазерне світло для ініціалізації та читання стану спини. Вони використовували 488-нанометровий лазерний імпульс для створення стану спіну, а потім використовували майже інфрачервоний лазер для читання триплетного стану з контрастом обертання до 20% у очищеному білку, клітинах людини та E.coli. Це дозволило їм маніпулювати спиною та використовувати білок як робочий куб.
Потенціал квантових клітин: від біологічного звучання до медичної візуалізації
Можливості, які відкрита ця технологія, справді вражаючі. Квантові клітини можуть використовуватися як квантові датчики для спостереження за біологічними процесами на рівні нано -розміру. Це дозволить нам:
- Вивчіть процеси складання білка: Зауважте, як утворюються білки та як помилки в цьому процесі можуть призвести до захворювань.
- Трек біохімічні реакції: Зрозумійте, як клітини реагують на різні подразники та як препарати впливають на їх функції.
- Моніторинг взаємодії препаратів з клітинами: Оптимізуйте ліки, щоб підвищити їх ефективність та знизити побічні ефекти.
- Розробити медичну візуалізацію: Виявити захворювання на найдавніших етапах, коли їх найбільше лікують.
Я уявляю майбутнє, де лікарі зможуть використовувати квантові датчики для діагностики раку на клітинному рівні, задовго до появи будь -яких симптомів. Це почне лікування на ранній стадії та значно збільшить шанси на відновлення.
Перешкоди для реалізації: стабільність та чутливість
Незважаючи на величезний потенціал, існують серйозні перешкоди для широкого використання цієї технології. Основна проблема – стабільність та чутливість біологічних кубів. Для ефективного маніпулювання флуоресцентним білком назад необхідно підтримувати низькі температури (175 кельвінів). Хоча в бактеріальних клітинах цей метод працює при кімнатній температурі, чутливість квантових датчиків все ще відстає від твердих датчиків, виготовлених з дефектів алмазу.
Крім того, необхідно розробити методи захисту біологічних кубів від зовнішніх перешкод, які можуть знищити їх квантовий стан. Для цього знадобиться розробка нових матеріалів та конструкцій, які будуть ізолювати кубики з навколишнього середовища.
Особистий досвід та думки
Я, як людина, яка працює в галузі біоенгінійного виробництва, бачу в цій роботі величезний потенціал для розробки нових методів діагностики та лікування захворювань. Я особливо вражає використання живих клітин як будівельних блоків для квантових пристроїв. Це відкриває нові можливості для створення біосумісних та біоінтегрованих квантових систем.
Однак я також розумію, що існує ще багато проблем, які потрібно вирішити. Необхідно розробити більш стабільні та чутливі біологічні кубики, а також методи захисту від зовнішніх перешкод. Крім того, необхідно розробити методи масового виробництва біологічних кубів, щоб зробити їх доступними для широкого спектру користувачів.
Висновок: Майбутнє квантової біології
Прорив, досягнутий вченими Чиказького університету, позначає важливий крок до створення квантової біології – нової галузі науки, яка поєднує принципи квантової механіки та біології. Ця сфера може призвести до революційних змін у медицині, науці про життя та технології.
Хоча існує ще багато проблем, які потрібно вирішити, я впевнений, що майбутнє квантової біології виглядає дуже перспективно. Ми перебуваємо на межі нової ери наукових відкриттів, які можуть змінити світ на краще.
Я вважаю, що ця робота є чудовим прикладом того, як міждисциплінарний підхід може призвести до прориву в науці та техніці. Поєднуючи знання та досвід фахівців у галузі біології, квантової механіки та інженерії, ми можемо створити інноваційні рішення для найскладніших проблем, що стоять перед людством.
Джерело: gerold.lviv.ua
