Химики МГУ придумали принципиально новую систему мониторинга живых систем

Сотрудники лаборатории квантовой фотодинамики кафедры физической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова впервые показали, что флуоресцентные белки идеально подходят на роль квантовых биомаркеров. С их помощью можно создать принципиально новые оптические технологии, позволяющие визуализировать и мониторить состояние живых систем. Об этом сообщили в пресс-службе вуза. 

Результаты работы, поддержанной грантом РНФ № 22-13-00126, вынесены на обложку авторитетного научного журнала Американского химического общества J. Phys. Chem. B.

Двухфотонная спектроскопия с использованием запутанных фотонных пар активно развивается и в теоретическом, и в экспериментальном направлении. Квантовая запутанность описывает особую корреляцию в системах нескольких частиц. На практике такая корреляция позволяет проводить спектроскопические измерения с намного меньшими интенсивностями возбуждающего света, чем в классических экспериментах, что важно при проведении исследований in vivo. Главное, понимать физический смысл изменений, происходящих в случае поглощения запутанных и классических фотонных пар с полярными фотоактивными молекулами. К таким молекулам относятся флуоресцентные белки — генетически кодируемые биомаркеры, широко применяющиеся для визуализации и мониторинга состояния живых систем. 

Оказалось, что вероятность поглощения пар запутанных фотонов зависит как от классического вклада, так и его неклассического аналога. При этом неклассический вклад оказывается на несколько порядков больше, чем классический. 

«Мы показали, что существуют принципиальные различия между поглощением классических и запутанных фотонов при возбуждении одного и того же состояния, — рассказывает Анастасия Боченкова, один из авторов работы и заведующая лабораторией квантовой фотодинамики химического факультета МГУ. — Флуоресцентные белки стали идеальными кандидатами для разработки на их основе квантовых биомаркеров и биосенсоров: в таких системах поглощение может усиливаться несколько порядков. Дальше свойства флуоресцентных белков можно модифицировать, изменяя аминокислотные остатки, что влияет на электростатическое поле белкового окружения поглощающей фотоны группы. Также интересно, что такие модификации могут приводить к противоположному эффекту при поглощении классических и запутанных пар фотонов. Наша работа открывает широкие перспективы для компьютерного дизайна флуоресцентных белков с заданными нелинейными фотофизическими свойствами, а полученные результаты имеют принципиально важное значение для создания квантовых оптических технологий визуализации живых систем».

Работы по практическому применению и внедрению новых технологий пройдут в рамках реализации программы Инженерной школы МГУ, подчеркнула Анастасия Боченкова.