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在一項(xiàng)新研究中,研究人員表明,量子光可用于實(shí)時(shí)跟蹤酶反應(yīng)。這項(xiàng)工作將量子物理學(xué)和生物學(xué)結(jié)合在一起,是朝著生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用量子傳感器發(fā)展的重要一步。
被稱為酶的復(fù)雜分子負(fù)責(zé)我們體內(nèi)的許多過(guò)程。但是,使用光學(xué)方法很難研究它們,因?yàn)檫^(guò)多的光會(huì)降低其活性,甚至完全停止其活性。
在光學(xué)學(xué)會(huì)(OSA)的《光學(xué)快報(bào)》上,一個(gè)多學(xué)科的研究小組表明,將光控制在單光子或量子水平可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)量而不會(huì)破壞酶的活性。
“盡管可能需要幾年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)實(shí)用的量子傳感器,但是這種原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)還是很重要的,”意大利大學(xué)研究中心的研究小組負(fù)責(zé)人Ilaria Gianani說(shuō)。“它有助于查明我們可以開(kāi)始與其他領(lǐng)域建立共享知識(shí)的領(lǐng)域,并揭示需要技術(shù)進(jìn)步才能取得進(jìn)步的領(lǐng)域。”
單光子控制
在研究生物分子時(shí),重要的是避免使用可能會(huì)改變其特性或行為的光水平。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)可能是具有挑戰(zhàn)性的,因?yàn)榈退降墓饩€可能無(wú)法提供太多信息,并且噪聲可以輕松克服微弱的信號(hào)。如今,已經(jīng)對(duì)酶進(jìn)行了研究,測(cè)量方法是對(duì)從主要樣品中收集的化驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量,以避免光損傷樣品。該過(guò)程不僅花費(fèi)時(shí)間,而且還阻止了實(shí)時(shí)直接觀察酶。
研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)一種裝置解決了這個(gè)問(wèn)題,該裝置可以使他們?cè)趩蝹€(gè)光子的水平??上極其精確地控制光。這使得可以在不破壞酶的情況下使用低照度,并有可能獲得更高的靈敏度。直接處理樣品的能力還允許以更高的分辨率進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤。
“我們成功的關(guān)鍵是知道如何處理光子的量子物理學(xué)家與知道如何處理生物系統(tǒng)的生物學(xué)家之間的合作。” 加尼亞尼說(shuō)。“盡管起初很難交流思想,但團(tuán)隊(duì)最終得以發(fā)展壯大,并發(fā)展出一種共同的語(yǔ)言來(lái)幫助工作順利進(jìn)行。如果沒(méi)有該團(tuán)隊(duì)首席研究員M. Barbieri教授的監(jiān)督,這種合作是不可能的。量子光學(xué)集團(tuán)。”
跟蹤酶活性
研究人員使用他們的新技術(shù)來(lái)追蹤由于一種稱為轉(zhuǎn)化酶的酶的活性而導(dǎo)致的蔗糖溶液手性的變化。跟蹤手性(給定分子旋轉(zhuǎn)光偏振的能力)可提供信息,該信息可用于確定酶已處理了多少蔗糖分子。實(shí)驗(yàn)表明,量子光可用于實(shí)時(shí)探測(cè)酶活性,而不會(huì)干擾樣品。
賈尼尼說(shuō):“這項(xiàng)工作只是量子傳感器可以做的一個(gè)例子。” “量子傳感器可用于無(wú)數(shù)種應(yīng)用的最佳光,包括生物成像,磁場(chǎng)傳感甚至重力波檢測(cè)。”
研究人員說(shuō),在他們的方法成為跟蹤酶促反應(yīng)的首選方法之前,需要解決一些技術(shù)問(wèn)題。例如,光損失是一個(gè)很強(qiáng)的限制因素,但他們希望他們的工作將有助于刺激可以解決該問(wèn)題的技術(shù)發(fā)展。
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