Квантовый компас для молекулярных связей

от

Автор: Денис Аветисян

Новая платформа квантового зондирования позволяет с беспрецедентной чувствительностью обнаруживать взаимодействия между биомолекулами на наноуровне.

Исследование демонстрирует применение квантовой релаксометрии с использованием азотных вакансий в алмазе для обнаружения биомолекулярных взаимодействий и поверхностной функционализации.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

Исследование взаимодействий биомолекул на уровне единичных молекул остается сложной задачей, несмотря на развитие оптических, механических и электрохимических подходов. В работе, озаглавленной ‘Quantum relaxometry for detecting biomolecular interactions with single NV centers’, представлен новый метод анализа молекулярных взаимодействий, основанный на квантовой релаксометрии с использованием азотных вакансий (NV-центров) в алмазе. Разработанная платформа, сочетающая NV-центры, спиновые метки и функционализацию поверхности, позволила обнаружить как слабые, так и сильные взаимодействия биомолекул в микро- и нано- масштабах. Открывает ли это путь к созданию высокочувствительных биосенсоров и углубленному пониманию молекулярных механизмов?

Квантовый горизонт: исследование биомолекулярных взаимодействий

Традиционные методы исследования биомолекулярных взаимодействий, такие как поверхностный плазмонный резонанс и ELISA, часто сталкиваются с ограничениями по чувствительности, особенно при анализе слабых или кратковременных связей между молекулами. Эти методы могут попросту не зафиксировать взаимодействие, если оно происходит нечасто или затрагивает небольшую часть молекул в растворе. Это особенно критично при изучении ранних стадий формирования белковых комплексов, динамики лекарственных препаратов с мишенями или обнаружении редких биомаркеров. Неспособность зафиксировать эти эфемерные события затрудняет полное понимание биологических процессов и разработку новых терапевтических стратегий, что стимулирует поиск более чувствительных технологий, способных уловить даже самые слабые сигналы, указывающие на взаимодействие.

Стремление к изучению биологических взаимодействий на наноуровне и без необходимости использования меток стимулирует активное развитие квантовых сенсорных технологий. Традиционные методы часто ограничены в способности обнаруживать слабые или кратковременные связи между молекулами, что препятствует полному пониманию сложных биологических процессов. Квантовые сенсоры, напротив, предлагают принципиально иной подход, позволяя регистрировать изменения в физических свойствах окружающей среды на масштабах, сопоставимых с размерами отдельных молекул, и без необходимости вносить какие-либо модификации в исследуемые объекты. Это открывает перспективы для изучения динамики белков, процессов сборки клеточных структур и других явлений, которые ранее оставались недоступными для детального анализа. Возможность проведения измерений в реальном времени и в нативных условиях делает квантовые сенсоры перспективным инструментом для фундаментальных исследований в биологии и медицине, а также для разработки новых диагностических методов.

Кристаллы алмаза с дефектами в виде азотных вакансий (NV-центры) представляют собой многообещающую платформу для высокоточного зондирования биомолекулярных взаимодействий. Эти центры обладают уникальным свойством — чувствительностью к слабым магнитным полям, что позволяет детектировать изменения в магнитном окружении, вызванные связыванием биомолекул. Стабильность квантовых свойств NV-центров, даже при комнатной температуре, обеспечивает долговременные и надежные измерения. Благодаря этому, NV-центры позволяют преодолеть ограничения традиционных методов, требующих маркировки образцов или обладающих недостаточной чувствительностью для регистрации слабых и преходящих взаимодействий. Перспективы применения этой технологии простираются от изучения конформационных изменений белков до обнаружения ранних признаков заболеваний на молекулярном уровне, открывая новые горизонты в биофизике и медицине.

Оптимизация алмазных поверхностей для иммобилизации белков

Эффективные исследования биомолекулярных взаимодействий напрямую зависят от надёжной иммобилизации белков на поверхности алмаза. Надёжная фиксация белков обеспечивает стабильность и воспроизводимость измерений, что критически важно для точного определения констант связывания, аффинности и кинетики реакций. Недостаточная или неустойчивая иммобилизация может привести к отслаиванию белков во время анализа, искажению данных и снижению достоверности результатов. Обеспечение высокой плотности и однородности покрытия белком на алмазной поверхности является ключевым фактором для повышения чувствительности и точности биосенсорных платформ.

Функционализация алмазной поверхности полиэтиленимином (PEI) является эффективным методом повышения адгезии белков и снижения стерических препятствий для их иммобилизации. PEI, являясь поликатионом, обеспечивает электростатическое притяжение к отрицательно заряженным белкам, что увеличивает плотность их связывания. Минимизация стерических помех, достигаемая за счет оптимальной концентрации и структуры PEI, способствует более эффективному взаимодействию белков с поверхностью алмаза и улучшает регистрируемый сигнал в биомолекулярных исследованиях. Это связано с тем, что белки могут находиться ближе к детектирующему элементу и взаимодействовать с анализируемым веществом без ограничений, вызванных пространственными препятствиями.

Использование наногеля на основе полиэтиленимина (PEI) позволяет дополнительно оптимизировать процесс иммобилизации белков на поверхности алмаза. Данный подход обеспечивает плотность связывания белка около $0.007$ нм⁻², что способствует увеличению расстояния между иммобилизованными молекулами. При этом сохраняется биологическая активность белков, что критически важно для проведения достоверных биомолекулярных исследований и обеспечивает надежное взаимодействие с анализируемыми веществами.

Повышение чувствительности квантовой релаксометрии

Квантовая релаксометрия, использующая азотно-вакансионные (NV) центры в алмазе, позволяет детектировать биомолекулярные взаимодействия посредством измерения изменений в скоростях релаксации. NV-центры, обладая спиновым состоянием, чувствительны к изменениям в локальном магнитном поле, возникающим при взаимодействии с целевыми биомолекулами. Измерение времени спиновой релаксации $T_1$ и $T_2$ позволяет количественно оценить эти изменения, предоставляя информацию о концентрации, размере и аффинности взаимодействующих молекул. Изменение скорости релаксации напрямую коррелирует с близостью и количеством биомолекул, адсорбированных на поверхности алмаза или находящихся в непосредственной близости от NV-центра.

Для точного моделирования глубины и плотности азотных вакансий (NV-центров) в алмазе, используемых в квантовой релаксометрии, применялось программное обеспечение SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter). Моделирование позволило оптимизировать параметры эксперимента, такие как энергия и доза ионной имплантации, для достижения средней глубины расположения NV-центров в $5.5$ нм. Точное знание глубины NV-центров критически важно для интерпретации результатов измерений релаксации и повышения чувствительности метода к биомолекулярным взаимодействиям, поскольку влияние поверхностных NV-центров, вносящих вклад в быстрый процесс релаксации, должно быть учтено при анализе данных.

Учет вклада поверхностно-близких NV-центров, проявляющегося в виде компоненты быстрого релаксационного спада, существенно повышает чувствительность квантовой релаксометрии. NV-центры, расположенные вблизи поверхности алмаза, испытывают усиленное взаимодействие с дефектами поверхности и другими источниками шума, что приводит к более быстрой релаксации. Игнорирование данного фактора приводит к занижению истинной скорости релаксации и снижению чувствительности к анализируемым биомолекулярным взаимодействиям. Разделение общей кривой релаксации $T_1$ на компоненты, соответствующие различным глубинам NV-центров, позволяет выделить вклад поверхностно-близких центров и корректно оценить изменения скорости релаксации, вызванные взаимодействием с целевыми молекулами.

Анализ кривых $T_1$ продемонстрировал двухэкспоненциальный распад, что свидетельствует о неоднородном распределении NV-центров в объеме образца. Наблюдаемая зависимость подтверждает адекватность моделирования, выполненного с использованием SRIM, и позволяет выделить вклад NV-центров, расположенных вблизи поверхности. Применение разработанного метода оценки скоростей релаксации, учитывающего вклад как глубоких, так и поверхностных NV-центров, позволило достичь повышения чувствительности детектирования биомолекулярных взаимодействий до 4.5 раз.

Демонстрация обнаружения биомолекулярных взаимодействий с модельной системой

Для демонстрации возможности детектирования биомолекулярных взаимодействий была использована модельная система, включающая комплекс биотина и убиквитина, а также стрептавидин. Данный подход позволил наглядно подтвердить эффективность разработанной методологии, поскольку стрептавидин специфически связывается с биотинилированным убиквитином. Выбор именно этой системы обусловлен хорошо изученными свойствами взаимодействия между этими молекулами, что позволило точно оценить чувствительность и специфичность предложенного метода. Использование данной модельной системы служит основой для дальнейших исследований более сложных биологических процессов и взаимодействия белков, открывая перспективы для глубокого анализа клеточных механизмов.

Разработанная методика успешно продемонстрировала взаимодействие между стрептавидином и биотин-меченым убиквитином, подтверждая свою эффективность в обнаружении биомолекулярных связей. В ходе экспериментов удалось не только выявить данное взаимодействие, но и добиться значительного ускорения сигнала — показатель $\Delta\Gamma$ оказался в 2.0 и 5.5 раза выше, чем у альтернативных методов. Такое существенное усиление сигнала открывает новые возможности для изучения сложных биологических процессов с беспрецедентной скоростью и чувствительностью, что делает данную технологию перспективной для дальнейших исследований в области биохимии и молекулярной биологии.

Использование как ансамблевых, так и одиночных NV-центров представляет собой взаимодополняющие подходы к изучению биомолекулярных взаимодействий. Ансамблевые измерения обеспечивают статистически значимые данные, позволяющие выявлять общие тенденции и оценивать общую силу взаимодействия между молекулами. В то же время, анализ с использованием одиночных NV-центров позволяет исследовать гетерогенность взаимодействия на уровне отдельных молекул, выявляя различия в аффинности и динамике связывания, которые могут быть скрыты при усредненных измерениях. Комбинирование этих двух подходов обеспечивает более полное и детальное понимание сложных биологических процессов, позволяя не только количественно оценить взаимодействие, но и раскрыть его пространственную и временную динамику на наноуровне.

Повышение чувствительности данного подхода в 4.5 раза открывает принципиально новые возможности для изучения сложных биологических процессов. Традиционные методы часто сталкиваются с ограничениями при анализе взаимодействий между биомолекулами в условиях низкой концентрации, что затрудняет понимание фундаментальных механизмов клеточной регуляции и развития заболеваний. Представленная методика, благодаря значительному увеличению чувствительности, позволяет детектировать даже слабые взаимодействия, ранее остававшиеся незамеченными. Это, в свою очередь, может привести к прорыву в таких областях, как разработка новых лекарственных препаратов, диагностика заболеваний на ранних стадиях и более глубокое понимание функционирования живых систем на молекулярном уровне. Усиленная способность к обнаружению тонких биохимических сигналов позволяет исследовать ранее недоступные аспекты биологии, потенциально революционизируя область молекулярной биологии и биотехнологии.

Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует элегантность подхода к обнаружению биомолекулярных взаимодействий посредством квантовой релаксометрии с использованием NV-центров в алмазе. Подобно тому, как математическая чистота алгоритма определяет его надежность, так и точность этой платформы зависит от тщательной функционализации поверхности и контроля спиновых меток. Как однажды заметил Пол Дирак: «Я не уверен, что существует что-то, что можно полностью понять». Несмотря на сложность изучаемых явлений, представленная методика стремится к достижению максимальной точности и доказуемости результатов, что соответствует принципам строгости и гармонии, лежащим в основе истинной эффективности квантовых систем. Чувствительность к взаимодействиям на микро- и наноуровнях подчеркивает потенциал данной технологии в биомедицинских исследованиях.

Что Дальше?

Представленная работа, безусловно, демонстрирует элегантность использования NV-центров для регистрации биомолекулярных взаимодействий. Однако, оптимизация протокола поверхностной функционализации без строгого математического анализа влияния различных линкеров на когерентность спиновых состояний — это, по сути, самообман и ловушка для неосторожного исследователя. Необходимо понимать, что «чувствительность» без доказанной стабильности и воспроизводимости — пустой звук.

Перспективы, конечно, заманчивы. Возможность детектирования отдельных молекул — это шаг к созданию инструментов, способных исследовать процессы в живых клетках с беспрецедентной детализацией. Но следует помнить, что спиновая метка — лишь прокси, и интерпретация сигнала требует строгой калибровки и учета геометрических факторов. Настоящим вызовом является разработка методов, позволяющих получать не только факт взаимодействия, но и его кинетику и аффинность.

В конечном счете, истинный прогресс заключается не в увеличении количества «детектированных молекул», а в разработке формального аппарата, позволяющего предсказывать поведение квантового сенсора в различных условиях и исключать случайные совпадения. Только тогда можно будет говорить о создании надежного и воспроизводимого инструмента для фундаментальных исследований в области биологии и химии.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.10269.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-12-14 11:20