Om människor kunde använda röntgensyn för att övervaka de tidigaste cellulära processerna av Alzheimers sjukdom, skulle de se att en proteinkedja någonstans i hjärnan förvandlade sig till en oregelbunden knut.
Denna mikroskopiska makrame, känd som en proteinveck, är normal inom mänsklig biologi. Men när kroppens mekanism för att filtrera dessa felaktigt vikta proteiner misslyckas kan resultatet leda till neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers, Parkinsons och Huntingtons.
Det är inte känt varför proteiner viker sig felaktigt och ibland kan kroppen inte eliminera dem, och det är en av anledningarna till att forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering (PME) vid University of Chicago har utvecklat världens mest avancerade biologiska sensorer .
Peter Maurer, docent i molekylär teknik, utvecklar en ny generation kvantsensorer som kommer att öppna nya dörrar inom biologisk och medicinsk forskning.
Byggd av diamant och utrustad med kvantfysik kommer Maurerins nanosensorer att kunna mäta magnetiska och elektriska fält, tid, temperatur och tryck inuti en levande cell. Även om hans forskning fortfarande är i sin linda, har den stor potential inom medicin och vidare.
Kvantsensorer kan mäta biologiska processer där befintlig teknik är otillgänglig, eller upptäcka sjukdomar innan de uppträder kliniskt. Denna teknik har potential att utöka forskningen inom biofysik och molekylärbiologi, säger Maurer. “Det kommer att hjälpa oss att förstå de processer som vi inte kan se på traditionella sätt. Sedan, när du är anpassad till den kliniska situationen, kommer du att se nya, otroligt effektiva screeningprocesser för sjukdomar – tester för sjukdomar som vi för närvarande inte kan testa. “
Att känna saker
Det hjälper att veta lite om kvantmekanik för att förstå fallet, förklarar Maurer.
“Kvantmekanik, så vitt vi vet, är en bra teori som förklarar världen nästan fullständigt,” sa Maurer. “Den förklarar hur atomer hålls samman och hur de styr kemiska reaktioner som kan förklara biologi och hur celler fungerar. På sätt och vis är kvantmekaniken den mest grundläggande teorin i världen idag. ”
Kvantmekaniken innehåller också vetenskapens mest kontraintuitiva principer, såsom superposition och kvanttunnlar. Under årens lopp har ingenjörer som Maurer upptäckt sätt att tillämpa dessa principer på utvecklingen av industriföränderlig teknik.
Atomklockor, som exakt kan lagra tid vid 100 ms i 15 miljarder år, anses vara en tidig form av kvantdetektering. Sedan starten har de blivit grunden för ett antal sofistikerade tekniker som GPS och modern satellitkommunikation. Precis som atomklockor ändrar mätningen av tid, hoppas ingenjörer som Maurer kunna ändra mätningen av många andra händelser.
En rådiamant
En av Maurers ansökningar sedan hans postdoktorala år är att studera celltemperatur. Kvantsystem är extremt känsliga för temperaturförändringar. Till exempel, för att kvantdatorer ska fungera måste de hållas nära noll, och det behövs kylskåp i människostorlek. Denna känslighet, som är ett hinder för kvantberäkning, kan ge mycket detaljerad information när den appliceras på sinnena.
Baserat på detta koncept utvecklade Maurer sensorer som är tillräckligt små för att kunna integreras i levande biologi. För att göra detta använder han laboratorieodlade diamanter, som har en specifik defekt i sitt centrum: något som kallas ett kvävevakanscenter (NV). Denna defekt har en kvantegenskap som kallas spin på grund av dess struktur. Forskare kan använda elektromagnetisk strålning för att ändra rotationen inuti en diamant, till exempel att flytta en kompassnål med en magnet. Genom att kombinera detta med andra instrument kan forskarna känna av olika krafter, såsom magnetiska och elektriska fält, tryck och temperatur.
Fördelen med Maurers tillvägagångssätt är att han kan “mata” en av dessa nanosensorer i en levande cell genom en process som kallas endocytos. Väl inne i cellen kan Maurer-sensorn övervaka temperaturen och mäta reaktionen utan att störa cellens normala funktioner, de varma delarna.
Det är mycket viktigt att förstå temperaturen i celler, eftersom många kemiska reaktioner sker med värme, och ibland kan dessa reaktioner leda till oönskade konsekvenser, såsom denaturerade eller felaktigt vikta proteiner.
Ett språng att känna
Maurer arbetar för närvarande med David Pincus, en docent vid avdelningen för molekylär genetik och cellbiologi vid University of Chicago, som en del av National Science Foundations Quantum Leap Challenge Institute for Quantum Research in Biophysics and Bioengineering (QuBBE). Tillsammans studerar de kroppens värmechockrespons, som är en mekanism för att filtrera bort felaktigt vikta proteiner. Deras forskning kan potentiellt låsa upp nya metoder för att lösa felaktig proteinveckning och kan leda till nya tester eller behandlingar för neurodegenerativ sjukdom. För Maurer är detta en möjlighet att tillämpa sitt arbete inom kvantteknik på en fråga som berör många.
“Kvantsensorer är särskilt attraktiva eftersom de tillåter oss att studera molekylära och biologiska processer som vi inte kan få med traditionell teknik,” sa Maurer. ”På detta sätt kan vi lära oss något om människors hälsas inre funktioner och det är något som vårt samhälle direkt kan dra nytta av kvantteknologin. Det är förmågan att använda teknik för att göra något meningsfullt. ”
Kvantbiosensorerna utvecklade av Maurer är fortfarande i de tidiga stadierna av bevis för konceptet, vilket innebär att deras uppträdande i det kommersiella utrymmet kan ta lite tid. Han förutspår dock att medicinska forskare kommer att börja se fördelar under de kommande 5-10 åren.
