结合量子物理学和生物学来改善酶活性的测量

时间：2021-09-07 18:52:25 来源：

量子光提高了生物测量的灵敏度

在一项新研究中，研究人员表明，量子光可用于实时跟踪酶反应。这项工作将量子物理学和生物学结合在一起，是朝着生物医学应用量子传感器的发展迈出的重要一步。

被称为酶的复杂分子负责我们体内的许多过程。但是，用光学方法很难研究它们，因为太多的光会降低其活性，甚至完全停止它的活性。

在光学协会（OSA）的《光学Express,》杂志上，一个多学科的研究小组表明，控制在单光子或量子水平的光可以在不破坏酶活性的情况下进行准确的测量。

一个多学科的研究人员小组证明，受控制的量子光可用于实时进行准确的测量，而不会破坏酶的活性。

“尽管可能需要几年的时间才能实现实用的量子传感器，但这种原理验证实验还是很重要的，”来自意大利圣塔格鲁迪大学的研究小组负责人Ilaria Gianani说。“它有助于查明我们可以开始与其他领域建立共享知识的领域，并揭示在哪些方面需要技术进步以取得进步。”

单光子控制

在研究生物分子时，重要的是避免使用可能会改变其特性或行为的光水平。实现这一点可能是一个挑战，因为低水平的光线可能无法提供太多信息，并且噪声可以轻松克服微弱的信号。如今，已经对酶进行了研究，测量方法是对从主要样品中收集的化验进行测量，以避免对样品造成光害。该过程不仅耗费时间，而且还防止实时直接观察酶。

研究人员通过开发一种装置解决了这个问题，该装置可以使他们在单个光子的水平上极其精确地控制光。这样就可以在不破坏酶的情况下使用低照度，并有可能获得更高的灵敏度。直接处理样品的能力还允许以更高的分辨率进行动态跟踪。

“我们成功的关键是知道如何处理光子的量子物理学家与知道如何处理生物系统的生物学家之间的合作。”加尼亚尼说。“尽管起初很难交流思想，但团队最终得以成长并发展了一种共同的语言，这有助于工作的顺利进行。如果没有Quantum Optics Group首席研究员M. Barbieri教授的监督，这种合作是不可能的。”

跟踪酶活性

研究人员使用他们的新技术来追踪由于一种称为转化酶的酶的活性而导致的蔗糖溶液手性的变化。跟踪手性-给定分子旋转光偏振的能力-提供的信息可用于确定酶已处理了多少蔗糖分子。实验表明，量子光可用于实时探测酶的活性，而不会干扰样品。

“这项工作只是量子传感器可以做的一个例子，”贾尼安尼说。“量子传感器可用于无数种应用中的光的最佳利用，包括生物成像，磁场传感甚至重力波的检测。”

研究人员说，在他们的方法成为跟踪酶促反应的首选方法之前，有一些技术方面需要解决。例如，光损失是一个很强的限制因素，但他们希望他们的工作将有助于刺激可以解决该问题的技术发展。

参考：“通过量子光对酶反应的自适应跟踪”，瓦莱丽亚·西米尼（Valeria Cimini），玛塔·梅利尼（Marta Mellini），佐丹奴·拉姆皮奥尼（Giordano Rampioni），马可·斯布罗西亚（Marco Sbroscia），利维亚·莱尼（Livia Leoni），马可·巴比耶里（Marco Barbieri）和伊拉里亚·吉亚尼（Ilaria Gianani），2019年11月18日，光学快递。DOI：
10.1364 / OE.27.035245

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