I en ny studie, forskare visade att kvantljus kan användas för att spåra enzymreaktioner i realtid. Arbetet sammanför kvantfysik och biologi i ett viktigt steg mot utvecklingen av kvantsensorer för biomedicinska tillämpningar.

De komplexa molekylerna som kallas enzymer är ansvariga för många processer i våra kroppar. Dock, de kan vara svåra att studera med optiska metoder eftersom för mycket ljus kommer att minska deras aktivitet eller till och med stoppa det helt.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express , en tvärvetenskaplig grupp forskare visade att ljus som styrs vid enfoton, eller kvant, nivå kan tillåta noggranna mätningar utan att störa enzymatisk aktivitet.

"Även om det kan ta några år innan praktiska kvantsensorer uppnås, denna typ av princip-princip-experiment är viktigt, "sade forskargruppens ledare Ilaria Gianani från Università degli Studi Roma Tre i Italien." Det hjälper till att identifiera områden där vi kan börja bygga gemensam kunskap med andra områden och avslöjar var tekniska framsteg behövs för att göra framsteg. "

Enfotonkontroll

När man undersöker biomolekyler är det viktigt att undvika att använda ljusnivåer som kan förändra deras egenskaper eller beteende. Att uppnå detta kan vara utmanande eftersom låga ljusnivåer kanske inte ger så mycket information och brus lätt kan övervinna den svaga signalen. I dag, enzymer studeras med mätningar utförda på analyser som samlats in från huvudprovet för att undvika att skada provet med ljus. Denna procedur tar inte bara tid utan förhindrar också direkt observation av enzymerna i realtid.

Forskarna övervann detta problem genom att utveckla en installation som gjorde det möjligt för dem att styra ljuset extremt exakt - i nivå med en enda foton. Detta gjorde det möjligt att använda låg belysning utan att störa enzymerna, med potential att uppnå en bättre känslighet. Möjligheten att adressera provet direkt tillät också dynamisk spårning med högre upplösning.

"Nyckeln till vår framgång var ett samarbete mellan kvantfysiker, som vet hur man hanterar fotoner, och biologer, som vet hur man hanterar biologiska system. "sa Gianani." Även om det var svårt att utbyta idéer till en början, teamet växte så småningom ihop och utvecklade ett gemensamt språk som hjälpte arbetet att gå smidigt. Detta samarbete hade inte varit möjligt utan övervakning av professor M. Barbieri, huvudutredare för Quantum Optics Group. "

Spårande enzymaktivitet

Forskarna använde sin nya teknik för att spåra förändringar i kiraliteten hos en sackaroslösning på grund av aktiviteten hos ett enzym som kallas invertas. Att spåra kiraliteten - en given molekyls förmåga att rotera polariseringen av ljus - ger information som kan användas för att bestämma hur många sackarosmolekyler som har bearbetats av enzymerna. Experimenten visade att kvantljus kan användas för att sondera enzymaktiviteter i realtid utan att provet störs.

"Detta arbete är bara ett exempel på vad kvantsensorer kan göra, "sa Gianani." Kvantsensorer kan användas för att optimalt använda ljus för otaliga applikationer, inklusive biologisk avbildning, magnetfältavkänning och till och med detektion av gravitationella vågor. "

Forskarna säger att det finns några tekniska aspekter att ta itu med innan deras tillvägagångssätt kan bli en metod för att spåra enzymatiska reaktioner. Till exempel, ljusförluster är en starkt begränsande faktor, men de hoppas att deras arbete kommer att bidra till att främja teknikutveckling som kan lösa detta problem.