Kvantummechanika és világító fehérjék
A tudományos munka egyik szépsége, hogy olyan váratlan összefüggéseket fedezhetünk fel, amire korábban senki sem gondolt. A kvantummechanika és a világító fehérjék története is egy váratlan kapcsolat, ami alapvető fejlődést hozhat a biológiai méréstechnikában.
Írásomban a Chicagói Egyetem molekulamérnökeinek idén augusztusban megjelent tanulmányára támaszkodom. Sokan az év egyik legérdekesebb eredményének tartják, s a munkájuk címe rövid, szabad fordításban: Spin kvantumbit fluoreszcens fehérjében. Elsőre akár káromkodásnak is elmehetne ez a cím, de ha megbarátkozunk a fogalmakkal, látni fogjuk az újdonságot is, nevezetesen két izgalmas és erőteljesen fejlődő tudományterület váratlan összefonódását.
A tudomány művelésének egyik bölcs követelménye, hogy lehetőleg olyan kérdéseket vizsgáljunk, amelyek újfajta módszertani fejlesztéseket is megkövetelnek. Gondoljunk csak bele, hogy a feltett kérdésünkre legnagyobb eséllyel azt a választ kapjuk majd, hogy a feltételezett hatás vagy jelenség nem kimutatható, igazolható. Vagyis negatív eredménnyel zárul a kutatási projekt. A módszerfejlesztési igény viszont magában hordozza, hogy legalább azt a bizonyos szükséges eszközt fejlesztettük. Ne gondoljunk feltétlenül kizárólag mérőműszerekre. Egy szoftveres módszer is lehet ilyen. Abban az esetben, hogy ha az újfajta megközelítéssel, műszerrel, szoftverrel nem sikerült egy adott projektben eltérést találnunk, nem fedeztünk fel semmit, az adott technikát azonban mégis kidolgoztuk. Az a következő projektben bevethető. A most tárgyalt kvantumbites tanulmány pontosan olyan, ami önmagában is műszeres fejlesztést igényelt, és alapja lesz további komoly technikai fejlődésnek.
A fluoreszcens fehérjék olyan fehérjék, amelyek megfelelő energiájú fény elnyelése után fényt bocsátanak ki. Az elnyelt fény gerjeszti és világításra készteti az arra alkalmas molekulát. Ez a fluoreszkálás jelensége. Ilyen világító fehérje például egy gomba eredetű, egyszerűen csupán zöld fluoreszcensnek nevezett fehérje (angol rövidítéssel GFP-nek szokás hívni). A biológiai tudományokban széles körben használjuk a különféle fluoreszcens fehérjevariánsokat a mikroszkópos képalkotás során. Más fehérjékhez hozzákapcsolva megjeleníthetik azoknak a helyzetét, továbbá funkcionális képalkotásra is alkalmasak. Például a kalcium koncentrációjára érzékeny fehérjéket lehet hozzájuk kapcsolni, és a kibocsátott fény intenzitása követi a kalciumkoncentráció változásait. Vagyis a világítás detektálásából következtetni lehet a sejt funkcionális állapotát nagyban meghatározó kalciumszintre. A GFP felfedezését és alkalmazását a biológiai kutatásokban 2008-ban Nobel-díjjal jutalmazták.
Az előbbiekben nagy vonalakban vázoltam a biofizikai alapjait a fluoreszcenciának, és ebből a vázlatból úgy tűnhetett, mintha a világító molekuláknak nyugalmi és fénnyel gerjesztett állapotáról tudnánk. Valójában további állapotokat is megkülönböztetünk a gerjesztés energiaszintjétől függően, s a kvantummechanikát kiaknázó eljárásban pont az energiaszintek közötti változások lesznek a lényegesek. Ezekről az energiaszintekről, vagy inkább állapotokról eddig is tudtunk, de eddig senkiben sem merült fel, hogy kvantumbitként lehetne rájuk tekinteni.
A bit a számítástechnikában az információ alapegysége. Értéke lehet igaz vagy hamis, 1 vagy 0. A számítógép bitekkel végez logikai összehasonlításokat, vagyis ellenőrzi, hogy két bit egyezik vagy különbözik. Bonyolult összefüggésekhez sok bitre van szükség. A kvantumbit (ennek szinonimája a qubit) a bithez hasonló, ám annál bonyolultabb, az 1 és 0 állapotok mellett ezek szuperpozíciói is lehetségesek. Én ezt saját példámon keresztül úgy értem meg, hogy elképzelek egy merev pálcát. Ennek egyik vagy másik végét foghatom meg, ekkor bitről beszélünk. Kvantumbit esetében egy rugalmas kötelet tartok a kezemben, s ugyan a kötél különböző hullámzása eltérő helyzeteket ad, alapvetően mégiscsak egyik vagy a másik végét fogom a kötélnek.
A fluoreszcens fehérjék energiaállapotai érzékenyek a mágneses tér nagyon apró változásaira. Ilyen apró változást okoz egy másik fehérje közeledte, elfordulása, meghajlása. Ezek mind elképzelhetetlenül apró mágneses változással járnak, mégis alapjaiban befolyásolják a kvantumbitek állapotait. Vagyis, kvantumbitekkel beleláthatunk a molekulák mozgásaiba, s ennek a felismerése igazi tudományos szenzáció!
Nem a kvantumszámítógép alkatrészeiként szeretnék hasznosítani a sejtjeinket vagy fehérjéinket, hanem érzékelőként, detektorokként. Fehérje alapú kvantumbitekkel sokkal pontosabban rekonstruálhatjuk, hogyan működnek a receptoraink, vagy azt, mi romlik el egy bizonyos mutáció következtében.
A kalciumszinten alapuló funkcionális képalkotást is magasabb szintre emelheti ez az újítás. Ehhez azonban megbízható, érzékeny detektorok is kellenek, és meg kell birkóznunk a keletkező hatalmas mennyiségű mérési adattal. Ígéretes technika, ígéretes fejlesztések és remélhetőleg sokkal pontosabb képet kapunk a sejten belüli folyamatokról – ezt várhatjuk a világító fehérjék kvantumbitjeitől. Elsőre talán unatkozó mérnökök és tudósok furcsa játszadozásának tűnhet, mégis közelebb vihet nemcsak az élet, de a betegségek titkainak megértéséhez is.
Megjelent a Magyar7 2025/36. számában.
