Учёные из Японии создали принципиально новые биосовместимые молекулярные квантовые наносенсоры (MoQNs), которые впервые позволяют с молекулярной точностью измерять температуру и регистрировать химические радикалы прямо внутри живых клеток. Разработка выполнена специалистами Национального института квантовых наук и технологий (QST), Токийского университета и Университета Кюсю.
До сих пор для подобных измерений использовали твёрдые квантовые сенсоры, например наноалмазы. Но у них есть серьёзный недостаток: каждый сенсор уникален из-за случайных дефектов в кристаллической решётке. Это приводит к шуму, нестабильным результатам и сложностям с биосовместимостью. Новая платформа MoQN решает проблему радикально: все сенсоры абсолютно одинаковые на молекулярном уровне.
Как устроены молекулярные квантовые сенсоры
В основе — молекулы пентацена (квантовые спиновые кубиты), защищённые внутри органических нанокристаллов. Специальное поверхностно-активное вещество делает их полностью безопасными для клетки: сенсоры легко проникают внутрь, не повреждая мембрану, не нарушая метаболизм и не мешая естественному росту.
Благодаря идеальной молекулярной однородности сенсоры дают абсолютные, а не относительные показания температуры. Они сохраняют полную квантовую функциональность внутри клетки — способны выполнять спин-эхо измерения и релаксиметрию. Для ещё большей точности исследователи использовали дейтерированный пентацен (dMoQNs).
Что удалось обнаружить внутри раковых клеток
Эксперименты показали поразительные результаты. Клетки оказались теплее окружающей среды, а внутри ядра температура распределяется неравномерно. Учёные впервые составили детальную тепловую карту ядра и выявили «горячие точки» в конкретных внутриядерных зонах. Это открытие может перевернуть наше понимание того, как тепло влияет на поведение ДНК и клеточные реакции.
Кроме температуры, MoQNs выступают в роли химических «репортёров». Они улавливают сигналы, связанные с активностью свободных радикалов, и позволяют отслеживать окислительный стресс как в цитоплазме, так и в ядре. По сути, это многофункциональная квантовая платформа, которая одновременно сообщает и о тепловом режиме клетки, и о её химическом здоровье.
«Эта работа показывает, что MoQNs могут работать непосредственно внутри живых клеток, сохраняя точность, необходимую для абсолютной термометрии, — отметил руководитель команды квантовой биоинженерии QST доктор Ишивата (Dr. Ishiwata). — Мы считаем, что это открывает новый путь к количественным квантовым измерениям внутриклеточной среды».
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
