Technologie transformatrice : pour comprendre la biologie, les scientifiques se tournent vers le monde quantique

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Quantum Biosensing Cell Thermometer
Thermomètre cellulaire à biodétection quantique

De nombreux phénomènes importants en biologie proviennent d’atomes isolés. La biodétection quantique offre un moyen d’étudier ces événements biologiques avec une sensibilité sans précédent. Ci-dessus, une représentation artistique d’une méthode d’utilisation de nanoparticules pour mesurer la température à l’intérieur d’une cellule. Crédit : Georg Kucsko

Les chercheurs espèrent que les capteurs utilisant la technologie quantique pourraient transformer la recherche en biologie.

Les scientifiques ont découvert la résonance magnétique nucléaire, un phénomène physique où les noyaux absorbent et réémettent de l’énergie lorsqu’ils sont placés dans un champ magnétique, en 1938. Mais il a fallu près de 30 ans pour que cette découverte de physique fondamentale trouve son application la plus connue : l’imagerie IRM, un outil de diagnostic crucial dans la recherche médicale et biologique.

Aujourd’hui, au 21e siècle, les chercheurs peuvent fabriquer des dispositifs quantiques suffisamment précis pour détecter des ions uniques et Université de Chicago Le professeur de chimie Greg Engel ne veut pas attendre 30 ans pour trouver leurs applications les plus utiles.

“Il devient rapidement clair que la détection quantique pourrait être transformatrice dans les prochaines phases de la recherche en biologie”, a déclaré Engel.

L’avantage de la superposition

La technologie quantique tire parti de phénomènes scientifiques qui ne sont accessibles qu’à la plus petite des échelles, comme le concept de superposition : où un système existe dans une combinaison d’états possibles plutôt que dans un seul. Cette caractéristique unique des systèmes quantiques est assez fragile : lorsqu’un système quantique en superposition interagit de quelque manière que ce soit avec son environnement, sa superposition « s’effondre » et il existe dans un état au lieu de plusieurs.

Cette incroyable fragilité est ce qui rend les technologies de communication et d’informatique quantiques si difficiles à mettre en œuvre. Garder quelque chose d’aussi petit qu’un atome suffisamment isolé pour exister en superposition demande beaucoup d’énergie, de financement et de logistique.

La détection quantique, cependant, prend cette fragilité et en fait un avantage. Si la superposition d’un système peut être perturbée par une seule molécule, un seul atome ou même un seul photon, ce système peut être transformé en un capteur pour surveiller ces particules individuelles.

De nombreux phénomènes importants en biologie proviennent d’atomes uniques, comme le mouvement d’un ion individuel ou un petit changement dans la charge électrique d’une protéine. Ces processus, cependant, sont actuellement incroyablement difficiles, voire impossibles à mesurer. La biodétection quantique offre un moyen d’étudier ces événements biologiques avec une sensibilité sans précédent.

“Avec la convergence entre la sensibilité qui est possible avec la mesure quantique, et le besoin absolu en biologie de comprendre les choses exactement à ces échelles : c’est juste une correspondance faite au paradis”, explique Engel, qui est également le directeur du nouveau 25 millions de dollars Quantum Leap Challenge Institute for Quantum Sensing for Biophysics and Bioengineering (QuBBE).

Les applications potentielles de la biodétection quantique vont du suivi d’un médicament à travers la membrane et à travers le cytoplasme d’une seule cellule, à la délimitation précise des marges tumorales pendant la chirurgie.

La détection quantique, cependant, prend cette fragilité et en fait un avantage.

Les capteurs quantiques pourraient même être capables d’enregistrer des processus biologiques critiques tels que le repliement des protéines et le mouvement des particules à travers les canaux ioniques des membranes cellulaires, ainsi que la transmission de signaux électriques à travers les neurones.

« La détection quantique vous permet de mesurer des quantités qui sont traditionnellement difficiles à mesurer à ces échelles, telles que la température, la pression ou les champs électromagnétiques », explique Peter Maurer, professeur d’ingénierie moléculaire à UChicago. Le laboratoire de recherche de Maurer peut utiliser des capteurs quantiques pour suivre les changements de température dans une seule cellule, ce qui est important pour comprendre comment les cellules réagissent à différents types de stress.

Développer de nouveaux outils pour manipuler les capteurs

Pour obtenir les mesures souhaitées par les chercheurs, les biocapteurs quantiques doivent être positionnés aux emplacements exacts où se produisent des événements biologiques intéressants. Mais la fragilité de la technologie quantique nécessite souvent des environnements extrêmement contrôlés, comme une chambre à vide avec une température proche de zéro. Pour accéder au plein potentiel des biocapteurs quantiques, les chercheurs trouvent de nouvelles façons de manipuler les capteurs quantiques dans des environnements plus chauds et moins contrôlés, afin qu’ils puissent voir des « films » d’événements plutôt que des instantanés.

L’outil de prédilection pour contrôler des molécules ou des particules uniques est une pince à épiler optique, qui utilise des faisceaux laser hautement focalisés pour manipuler leurs cibles. “Mais ils ne peuvent pas vraiment piéger quelque chose de plus petit qu’un micron, sauf si vous allez à des températures très basses”, explique Allison Squires, professeur d’ingénierie moléculaire à UChicago. « Cela ne fonctionne pas vraiment pour la biologie. La biologie se produit à température ambiante, de sorte que ces processus à l’échelle nanométrique se déroulent dans un environnement humide et désordonné. Pour voir ces processus en action, nous devons être capables de travailler dans ce cadre. »

Le laboratoire de recherche de Squires développe des outils pour manipuler et contrôler les capteurs quantiques dans un système biologique, y compris une technique qui utilise des potentiels électriques comme « murs » pour maintenir le capteur quantique flottant à un endroit sans le toucher. Squires s’attend à ce que cet « arsenal » d’outils biophysiques à l’échelle nanométrique fournisse de nouveaux types d’informations.

Des capteurs quantiques pourraient mesurer les champs électriques dans une synapse neuronale, suivre un seul ion se déplaçant à travers une membrane cellulaire ou enregistrer le transfert de protéines entre les plus petits organites à l’intérieur d’une cellule : autant de processus difficiles à observer directement. La technologie à l’intersection de ces deux domaines – l’ingénierie quantique et la biologie – a le potentiel de révolutionner notre compréhension de la science médicale aux plus petits niveaux possibles.

« Je considère que la biodétection quantique repousse les limites de la résolution des mesures dans les sciences de la vie », déclare Maurer. “En sondant des systèmes très sensibles dans leur environnement physiologique, cette technologie pourrait produire des outils inestimables.”

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