Специалисты ФИАН применили квантовые методы исследования в биологии

 Источник фото: wikimedia.org

Работу над новым совместным исследовательским проектом начали специалисты Физического института им. П.Н. Лебедева совместно с группой профессора Михаила Лукина в Гарварде. Методы, разработанные для исследований в области квантовой информации, ученые впервые применили в эксперименте на живой клетке. Ожидается, что этот подход предоставит совершенно новые возможности для измерения параметров жизнедеятельности клетки с помощью магнитометрии. Реализация проекта исключительно важна не только для физиков, но и для биологов и медиков.

Технологии, используемые при работах в области квантовой информации, позволяют измерять состояние кубита или центра окраски в алмазе. В новом проекте (российско-американская коллаборация) такие тонкие инструменты и методы впервые применены для исследования процессов в живой клетке. В клетку имплантируется алмазный кристалл размером 20-30 нм с центром окраски. При облучении алмаза импульсным монохроматическим (лазеры) и электромагнитным излучением центр окраски возбуждается и начинает излучать. Результаты измерений возникающего магнитного поля позволят получить количественные данные о биохимических процессах в клетке, о состоянии среды в окружении этого кристалла, например, о движении свободных радикалов, и пр.

Комментирует старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Алексей Акимов: «Если мы умеем измерять состояние кубита в атоме или в центре окраски в алмазе, то мы можем с большой точностью измерить и внешнее возмущение, которому подвержен этот атом или центр окраски. Это могут быть, в частности, электрические или магнитные поля. А по ним, в свою очередь, можно сделать те или иные выводы о биохимии клетки.
Химики научились создавать такие молекулы, которые приклеиваются к строго определенным частям клетки, и мы использовали этот метод. Кристалл алмаза размером 20-30 нм, содержащий центр окраски, внедряется в клетку, дрейфует по ней, а затем приклеивается к строго определенным зонам, допустим, к ядру или к митохондриям. Клетка в процессе жизнедеятельности производит различные заряженные частицы. Поля этих частиц можно регистрировать с разрешением десятки нанометров. А чисто физические параметры определенным образом соотносятся с биохимией клетки и с идущими в ней процессами. Такие измерения можно делать в живой клетке, а потенциально — и в ткани или в организме. Идеи применения метода самые разные — от работ на одиночной клетке до исследований процессов в головном мозге.
В эксперименте к кристаллу алмаза прикладывается сложная комбинация светового и микроволнового импульсных полей. Центр окраски алмаза начинает испускать фотоны, и мы регистрируем возникающий оптический сигнал. Именно он и позволяет определить характеристики магнитного поля. Измерение исследуемых параметров, хотя и косвенное, но исключительно точное. Сегодня мы можем видеть магнитное поле одиночного электрона».

Пока в новом направлении лидируют физики. Но как только метод будет разработан и созданы приборы, физики уступят место биологам и медикам. Для коммерциализации работ создана новая организация — Российский квантовый центр, весь проект поддержан Фондом Сколково.

По материалам АНИ «ФИАН-информ»