In een nieuwe studie, onderzoekers toonden aan dat kwantumlicht kan worden gebruikt om enzymreacties in realtime te volgen. Het werk brengt kwantumfysica en biologie samen in een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van kwantumsensoren voor biomedische toepassingen.

De complexe moleculen die bekend staan ​​als enzymen zijn verantwoordelijk voor veel processen in ons lichaam. Echter, ze kunnen moeilijk te bestuderen zijn met optische benaderingen omdat te veel licht hun activiteit zal verminderen of zelfs helemaal zal stoppen.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , een multidisciplinaire groep onderzoekers toonde aan dat licht gecontroleerd op het enkele foton, of kwantum, niveau nauwkeurige metingen mogelijk maken zonder de enzymatische activiteit te verstoren.

"Hoewel het een paar jaar kan duren voordat praktische kwantumsensoren zijn bereikt, dit type proof-of-principle-experiment is belangrijk, "Zei onderzoeksteamleider Ilaria Gianani van Università degli Studi Roma Tre in Italië. "Het helpt de gebieden te bepalen waar we gedeelde kennis met andere velden kunnen opbouwen en onthult waar technologische vooruitgang nodig is om vooruitgang te boeken."

Single-photon controle

Bij het onderzoeken van biomoleculen is het belangrijk om het gebruik van lichtniveaus te vermijden die hun eigenschappen of gedrag zouden kunnen veranderen. Het kan een uitdaging zijn om dit te bereiken, omdat lage lichtniveaus mogelijk niet veel informatie bieden en ruis het zwakke signaal gemakkelijk kan overwinnen. Vandaag, enzymen worden bestudeerd met metingen die zijn uitgevoerd op testen die zijn verzameld uit het hoofdmonster om beschadiging van het monster met licht te voorkomen. Deze procedure kost niet alleen tijd, maar voorkomt ook directe observatie van de enzymen in realtime.

De onderzoekers overwonnen dit probleem door een opstelling te ontwikkelen waarmee ze het licht uiterst nauwkeurig konden regelen - op het niveau van een enkel foton. Dit maakte het mogelijk om lage verlichting te gebruiken zonder de enzymen te verstoren, met het potentieel om een ​​betere gevoeligheid te bereiken. De mogelijkheid om het monster rechtstreeks aan te pakken, maakte ook dynamische tracking met een hogere resolutie mogelijk.

"De sleutel tot ons succes was een samenwerking tussen kwantumfysici, die weten hoe om te gaan met fotonen, en biologen, die weten hoe om te gaan met biologische systemen", zegt Gianani. "Hoewel het aanvankelijk moeilijk was om van gedachten te wisselen, het team groeide uiteindelijk samen en ontwikkelde een gemeenschappelijke taal die het werk soepel liet verlopen. Deze samenwerking zou niet mogelijk zijn geweest zonder de supervisie van Prof. M. Barbieri, hoofdonderzoeker van de Quantum Optics Group."

Enzymactiviteit volgen

De onderzoekers gebruikten hun nieuwe techniek om veranderingen in de chiraliteit van een sucrose-oplossing te volgen als gevolg van de activiteit van een enzym dat bekend staat als invertase. Het volgen van de chiraliteit - het vermogen van een bepaald molecuul om de polarisatie van licht te roteren - levert informatie op die kan worden gebruikt om te bepalen hoeveel moleculen sucrose door de enzymen zijn verwerkt. De experimenten toonden aan dat kwantumlicht kan worden gebruikt om enzymactiviteiten in realtime te onderzoeken zonder het monster te verstoren.

"Dit werk is slechts één voorbeeld van wat kwantumsensoren zouden kunnen doen, ", aldus Gianani. "Quantumsensoren zouden kunnen worden gebruikt om licht optimaal te gebruiken voor talloze toepassingen, inclusief biologische beeldvorming, magnetische velddetectie en zelfs detectie van zwaartekrachtgolven."

De onderzoekers zeggen dat er enkele technologische aspecten zijn die moeten worden aangepakt voordat hun aanpak een go-to-methode kan worden voor het volgen van enzymatische reacties. Bijvoorbeeld, lichtverliezen zijn een sterke beperkende factor, maar ze hopen dat hun werk de technologische ontwikkeling zal stimuleren die dit probleem zou kunnen aanpakken.