Als weltweit erste Studie hat ein Forschungsteam unter der Leitung des Fachbereichs Ingenieurwissenschaften der Universität Oxford gezeigt, dass es möglich ist, einen quantenmechanischen Prozess innerhalb von Proteinen zu erzeugen. Dies öffnet die Tür zu einer neuen Klasse von quantenbasierten biologischen Technologien.
Die heute (21. Januar) in Nature veröffentlichte Studie beschreibt die Entwicklung einer neuen Klasse von Biomolekülen, magnetosensitiven fluoreszierenden Proteinen (MFPs), die mit Magnetfeldern und Radiowellen interagieren können. Dies wird durch quantenmechanische Wechselwirkungen innerhalb des Proteins ermöglicht und tritt auf, wenn es Licht einer geeigneten Wellenlänge ausgesetzt wird.
Obwohl Quanteneffekte bereits als zentral für einige biologische Prozesse (wie die Navigation von Vögeln) nachgewiesen wurden, ist dies das erste Mal, dass sie gezielt eingesetzt wurden, um eine neue Generation praktischer Technologien zu entwickeln. Dies markiert einen Paradigmenwechsel: von der Beobachtung von Quanteneffekten in der Natur hin zu deren bewusster Gestaltung für die Anwendung in der realen Welt.
Die Forscher untersuchen bereits Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologien in der Biomedizin. Im Rahmen der Studie entwickelte das Team ein Prototyp-Bildgebungsgerät, das die gentechnisch veränderten Proteine ??mithilfe eines ähnlichen Mechanismus wie die in Krankenhäusern weit verbreitete Magnetresonanztomographie (MRT) lokalisieren kann. Im Gegensatz zur MRT wäre es jedoch in der Lage, spezifische Moleküle oder die Genexpression in einem lebenden Organismus zu verfolgen . Solche Messungen sind von zentraler Bedeutung für medizinische Herausforderungen wie die gezielte Wirkstoffverabreichung und die Überwachung genetischer Veränderungen in Tumoren.
Zur Herstellung der gentechnisch veränderten Proteine ??nutzte das Forschungsteam eine bioingenieurtechnische Methode namens gerichtete Evolution. Dabei werden zufällige Mutationen in die DNA-Sequenz eingeführt, die für das Protein kodiert. So entstehen Tausende von Varianten mit veränderten Eigenschaften. Aus dieser Sammlung werden die leistungsstärksten Varianten ausgewählt, und der Prozess wird wiederholt. Nach vielen aufeinanderfolgenden Runden gerichteter Evolution wiesen die ausgewählten Proteine ??eine deutlich verbesserte Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern auf.
Um diesen Durchbruch zu erzielen, war ein ambitionierter interdisziplinärer Ansatz erforderlich, der Expertise in den Bereichen Ingenieurbiologie, Quantenphysik und Künstliche Intelligenz verknüpfte – drei Innovationsfelder, die kürzlich als zentral für die britische Industriestrategie hervorgehoben wurden. Diese Studie gilt als die erste, in der deren Schnittmenge genutzt wurde, um eine neue Technologie zu entwickeln.
Gabriel Abrahams, Erstautor der Studie und Doktorand am Institut für Ingenieurwissenschaften, beschrieb die Arbeit als „eine ungemein spannende Entdeckung. Was mich umhaut, ist die Kraft der Evolution: Wir wissen noch nicht, wie man einen wirklich guten biologischen Quantensensor von Grund auf entwickelt, aber indem die Natur den evolutionären Prozess in Bakterien sorgfältig lenkte, hat sie einen Weg für uns gefunden.“
Der Hauptautor der Studie, Associate Professor Harrison Steel vom Fachbereich Ingenieurwissenschaften, sagte: „Unsere Studie verdeutlicht, wie schwierig es ist, den verschlungenen Weg von der Grundlagenforschung zum technologischen Durchbruch vorherzusagen. So verdanken wir beispielsweise unser Verständnis der Quantenprozesse in MFPs erst Experten, die jahrzehntelang erforscht haben, wie Vögel sich mithilfe des Erdmagnetfelds orientieren. Und die Proteine, die den Ausgangspunkt für die Entwicklung von MFPs bildeten, stammen ursprünglich aus dem gewöhnlichen Hafer!“
Professor Steel fuhr fort: „Wir sind den Unterstützern unserer Arbeit, insbesondere der Förderung durch das EPSRC EEBio Programme Grant, außerordentlich dankbar. Diese Förderung war maßgeblich daran beteiligt, unsere interdisziplinäre Vision zu verwirklichen, Bioengineering zusammen mit Robotik, Kontrollalgorithmen und KI in einem einzigen Labor durchzuführen.“
Nach dem Erfolg dieses Projekts beschleunigt das Team nun die Arbeiten, um die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten seiner Entdeckung zu realisieren und unser Verständnis von Quanteneffekten in der Natur im Rahmen eines großen, kürzlich vom BBSRC initiierten Projekts unter der Leitung des Fachbereichs Chemie der Universität Oxford zu vertiefen.
Das Team wurde vom Fachbereich Ingenieurwissenschaften der Universität Oxford geleitet, mit Kooperationspartnern aus dem Fachbereich Chemie sowie internationalen Partnern der Universität Aarhus, des Royal Melbourne Institute of Technology, der Sungkyunkwan-Universität und des US-amerikanischen Unternehmens Calico Life Sciences LLC
