Tecnologia transformativa: para compreender a biologia, os cientistas se voltam para o mundo quântico

Muitos fenômenos importantes na biologia se originam de átomos individuais. O bio-sensor quântico oferece uma maneira de investigar esses eventos biológicos com uma sensibilidade sem precedentes. Acima, uma representação artística de um método para usar nanopartículas para fazer uma leitura de temperatura dentro de uma célula. Crédito: Georg Kucsko

Os pesquisadores esperam que os sensores que usam a tecnologia quântica possam transformar a pesquisa em biologia.
Os cientistas descobriram a ressonância magnética nuclear, um fenômeno físico em que os núcleos absorvem e reemitem energia quando colocados em um campo magnético, em 1938. Mas levou quase 30 anos para que essa descoberta da física fundamental encontrasse sua aplicação mais conhecida: imagens de ressonância magnética, um ferramenta de diagnóstico crucial em pesquisa médica e biológica.

Agora no século 21, os pesquisadores podem fazer dispositivos quânticos precisos o suficiente para detectar íons individuais – e o professor de química da Universidade de Chicago Greg Engel não quer esperar 30 anos para encontrar suas aplicações mais úteis.

“Está rapidamente se tornando claro que o sensoriamento quântico pode ser transformador nas próximas fases da pesquisa em biologia”, diz Engel.

A vantagem da superposição
A tecnologia quântica tira proveito de fenômenos científicos que só são acessíveis nas menores escalas, como o conceito de superposição: onde um sistema existe em uma combinação de estados possíveis ao invés de em um único. Esta característica única dos sistemas quânticos é bastante frágil – quando um sistema quântico em superposição interage com seu ambiente de alguma forma, sua superposição “entra em colapso” e existe em um estado em vez de muitos.

Essa fragilidade incrível é o que torna a comunicação quântica e as tecnologias de computação tão difíceis de implementar. Manter algo tão minúsculo quanto um átomo isolado o suficiente para existir em superposição exige muita energia, financiamento e logística.

A detecção quântica, no entanto, pega essa fragilidade e a torna uma vantagem. Se a superposição de um sistema pode ser perturbada por uma única molécula, um único átomo ou mesmo um único fóton, esse sistema pode ser transformado em um sensor para monitorar essas partículas individuais.

Muitos fenômenos importantes na biologia se originam de átomos individuais, como o movimento de um íon individual ou uma pequena mudança na carga elétrica de uma proteína. Esses processos, no entanto, são atualmente incrivelmente difíceis ou mesmo impossíveis de medir. O bio-sensor quântico oferece uma maneira de investigar esses eventos biológicos com uma sensibilidade sem precedentes.

“Com a convergência entre a sensibilidade possível com a medição quântica e a necessidade absoluta da biologia de entender as coisas exatamente nessas escalas: é apenas uma combinação feita no céu”, diz Engel, que também é diretor do novo $ 25 milhões Quantum Leap Challenge Institute for Quantum Sensing for Biophysics and Bioengineering (QuBBE).

As aplicações potenciais do biossensor quântico vão desde o rastreamento de uma droga através da membrana e através do citoplasma de uma única célula, até a demarcação precisa das margens do tumor durante a cirurgia.

Os sensores quânticos podem até ser capazes de registrar processos biológicos críticos como o dobramento de proteínas e o movimento de partículas através de canais iônicos em membranas celulares, bem como a transmissão de sinais elétricos através de neurônios.

“A detecção quântica permite medir quantidades que são tradicionalmente difíceis de medir nessas escalas, como temperatura, pressão ou campos eletromagnéticos”, diz o professor de engenharia molecular da UChicago, Peter Maurer. O laboratório de pesquisa de Maurer pode usar sensores quânticos para rastrear mudanças de temperatura em uma única célula, o que é importante para entender como as células respondem a diferentes tipos de estresse.

Desenvolvimento de novas ferramentas para manipulação de sensores
Para obter as medições que os pesquisadores desejam, os biossensores quânticos devem ser posicionados nos locais exatos onde eventos biológicos interessantes estão acontecendo. Mas a fragilidade da tecnologia quântica muitas vezes requer ambientes extremamente controlados, como uma câmara de vácuo com temperatura próxima de zero – neste tipo de ambiente, os processos biológicos só podem ser vistos como “instantâneos” congelados. Para acessar todo o potencial dos biossensores quânticos, os pesquisadores estão encontrando novas maneiras de manipular os sensores quânticos em ambientes mais quentes e menos controlados, para que possam ver “filmes” de eventos em vez de instantâneos.

A ferramenta ideal para controlar moléculas ou partículas individuais são as pinças ópticas, que usam feixes de laser altamente focados para manipular seus alvos. “Mas eles não conseguem capturar nada menor do que um mícron, a menos que você vá para temperaturas muito baixas”, diz Allison Squires, professora de engenharia molecular da UChicago. “Isso realmente não funciona para a biologia. A biologia acontece em temperatura ambiente, então esses processos em nanoescala ocorrem em um ambiente úmido e bagunçado. Para ver esses processos em ação, temos que ser capazes de trabalhar nesse ambiente. ”

O laboratório de pesquisa de Squires está desenvolvendo ferramentas para manipular e controlar sensores quânticos em um sistema biológico, incluindo uma técnica que usa potenciais elétricos como “paredes” para manter o sensor quântico flutuando em um lugar sem tocá-lo. Squires espera que esse “arsenal” de ferramentas biofísicas em nanoescala forneça novos tipos de informação.

Sensores quânticos podem medir os campos elétricos em uma sinapse neuronal, rastrear um único íon se movendo através de uma membrana celular ou registrar a transferência de proteínas entre as organelas menores dentro de uma célula: todos os processos que são desafiadores para observar diretamente. A tecnologia na interseção desses dois campos – engenharia quântica e biologia – tem o potencial de revolucionar nossa compreensão da ciência médica nos menores níveis possíveis.

“Vejo o biossensor quântico como uma superação dos limites da resolução de medição nas ciências da vida”, diz Maurer. “Sondando sistemas muito sensíveis em seu ambiente fisiológico, esta tecnologia pode produzir ferramentas inestimáveis.”

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