Учёные Чикагского университета научили живые клетки работать как квантовые датчики

Квантовые технологии долго существовали как что-то далёкое от живой природы. Алмазные кристаллы, сверхпроводящие цепи, температуры около абсолютного нуля. Всё это хорошо работает в лаборатории, но никак не внутри человеческого тела. Группа исследователей из Чикагского университета решила поменять саму постановку вопроса. И, судя по результатам, у них получилось.

Учёные впервые превратили белок, содержащийся в живых клетках, в полноценный квантовый бит, или кубит, и использовали его как датчик, способный улавливать ничтожно малые изменения внутри биологических систем. Статья опубликована в журнале Nature, а само открытие Physics World включил в десятку главных научных прорывов 2025 года.

Чтобы оценить масштаб, стоит понять, что такое кубит вообще. В самом простом объяснении это квантовомеханическая система, которая одновременно может находиться в двух разных состояниях. Обычно подобные системы создаются в жёстко контролируемых условиях: вакуум, экстремальный холод, искусственные материалы. Живая клетка в этой логике выглядит полной противоположностью. Тёплая, шумная, постоянно в движении.

Именно поэтому подход чикагской команды нестандартен. Руководитель проекта Дэвид Ошалом объяснил это так: вместо того чтобы брать обычный квантовый датчик и пытаться замаскировать его под биологическую систему, исследователи решили взять саму биологическую систему и превратить её в кубит.

Объектом стал жёлтый флуоресцентный белок. Такие белки давно применяются в клеточной биологии: ими помечают молекулы, чтобы следить за процессами внутри клетки под микроскопом. Исследователи обнаружили, что у этих белков есть особое квантовое состояние, так называемое триплетное, которое можно использовать как кубит для хранения квантовой информации. Раньше этого никто не пробовал. Сначала убедились, что квантовое состояние поддаётся считыванию при низких температурах. Затем показали, что это работает и когда белок экспрессируется в клетках млекопитающих.

В отличие от искусственных наноматериалов, белковые кубиты производятся самими клетками, располагаются с атомной точностью и способны регистрировать сигналы в тысячи раз слабее, чем доступные сейчас квантовые датчики. Это принципиальное отличие от предыдущих попыток. Раньше в живые системы пытались внедрить нанокристаллы алмаза: они работали, но были слишком крупными и их сложно было направить в нужное место. Белок решает обе проблемы сразу.

Питер Маурер, второй руководитель проекта, добавляет к этому перспективу с другой стороны: по его словам, создаваемые квантовые датчики могут стать ключом к технологии, которая скажет не только где находится та или иная биомолекула, но и что именно с ней произошло. Это уже совсем другой уровень понимания того, что происходит внутри клетки.

Медицинские последствия обсуждаются вполне конкретные. С помощью биологических сенсоров такого типа врачи потенциально смогут выявлять трудно диагностируемые заболевания, в том числе болезнь Альцгеймера, без инвазивных процедур и задолго до появления первых симптомов. Речь идёт также о нанометровом МРТ на уровне отдельных клеток и о возможности наблюдать в реальном времени, как лекарства связываются с конкретными белками.

Есть и менее очевидное следствие. Поскольку сенсор генетически закодирован, его характеристики можно улучшать методом направленной эволюции: изменять ген белка и отбирать наиболее стабильные варианты. Получается, что природу можно использовать не только как среду для датчика, но и как инструмент для его совершенствования.

Пока белковые кубиты по чувствительности уступают лучшим алмазным датчикам. Но у них есть то, чего у алмазов никогда не будет: способность наблюдать за биологией на квантовом уровне, от сворачивания белков и активности ферментов до самых ранних признаков болезни. Для медицины это может оказаться важнее абсолютной точности измерений.