Nowe możliwości biotechnologii: białka korzystające z mechaniki kwantowej

Naukowcy z Wydziału Nauk Inżynieryjnych University of Oxford jako pierwsi wykazali, że możliwe jest zaprojektowanie białek wewnątrz których zostają przeprowadzone procesy z dziedziny mechaniki kwantowej. Odkrycie to otwiera drogę rozwoju biotechnologii wykorzystującej zjawiska kwantowe. Naukowcy z Oksfordu stworzyli nową klasę molekuł, które nazwali magnetoczułymi białkami fluorescencyjnymi (MFPs, magneto-sensitive fluorescent proteins). Białka te, poddane oddziaływaniu światła o odpowiedniej długości fali, wchodzą w interakcje z polami magnetycznymi i falami radiowymi, a w ich wnętrzu zachodzą procesy z dziedziny mechaniki kwantowej.

Już wcześniej wykazano, że zjawiska kwantowe są kluczowe dla niektórych procesów biologicznych. Są na przykład wykorzystywane w nawigacji przez ptaki. Teraz zaś mamy do czynienia z pierwszym przykładem inżynierii wykorzystującej te zjawiska w systemach biologicznych. Oznacza to przejście z obserwowania zjawisk kwantowych w naturze do projektowania systemów pozwalających na ich wykorzystanie.

Zmodyfikowane białka uzyskano techniką ewolucji ukierunkowanej. Jest to sposób na tworzenie cząsteczek o nowych właściwościach. Polega ona na wprowadzeniu mutacji do DNA białka, w wyniku czego otrzymujemy tysiące wariantów o różnych właściwościach. Wśród nich wybiera się warianty o najlepszych cechach i powtarza proces. Po wielu rundach takiej ewolucji otrzymujemy białko o poszukiwanych cechach. W ten sposób naukowcy z Oksfordu, łącząc biologię inżynieryjną, fizykę kwantową i sztuczną inteligencję, uzyskali białka o olbrzymiej czułości na pola magnetyczne.

Gabriel Adams, główny autor artykułu opublikowanego na łamach Nature, mówi, że to niezwykle ekscytujące odkrycie. To, co mnie najbardziej zachwyca, to potęga ewolucji: nie umiemy jeszcze zaprojektować naprawdę dobrego biologicznego czujnika kwantowego od zera, ale dzięki ostrożnemu kierowaniu procesem ewolucyjnym w bakteriach Natura znalazła dla nas rozwiązanie. Profesor Harrison Steel dodał zaś, że nasze zrozumienie procesów kwantowych zachodzących w MFP stało się możliwe dzięki ekspertom, którzy przez dziesięciolecia badali, jak ptaki wykorzystują ziemskie pole magnetyczne do orientacji. Białka, które posłużyły jako punkt wyjścia do inżynierii z MFP pochodzą zaś z owsa.

Badacze już pracują nad praktycznym zastosowaniem swojego osiągnięcia. Dotychczas stworzyli prototypowe urządzenie, które – korzystając z mechanizmu podobnego do używanego w rezonansie magnetycznym – potrafi zlokalizować zmodyfikowane białka. W przeciwieństwie do rezonansu, urządzenie takie byłoby w stanie śledzić konkretne cząstki lub ekspresję genów wewnątrz organizmu. To zaś oznacza prawdziwą rewolucję w wielu dziedzinach medycyny, gdyż wspomogłoby ono precyzyjne dostarczanie leków czy pozwoliło na monitorowanie zmian genetycznych w guzach nowotworowych.

W pracach nad białkami brali też udział naukowcy w Wydziału Chemii Uniwersytetu Oksfordzkiego, Aarhus University, Royal Malbourne Institute of Technology, południowokoreańskiego Sungkyunkwan University oraz amerykańskiej firmy Calico Life Sciences LLC.

białko mechanika kwantowa MFPs magnetoczułe białko fluorescencyjne