Termometr kwantowy cenniejszy niż diamenty. Zajrzy wprost do jądra komórki
Tradycyjne metody pomiaru temperatury, kojarzone z umieszczaniem termometru pod językiem, doczekały się swojej mikroskopijnej rewolucji. Japońscy naukowcy, których dokonania opublikowano w czasopiśmie "Science Advances", opracowali technologię pozwalającą na badanie ciepłoty pojedynczej żywej komórki nowotworowej, a nawet jej konkretnych obszarów, takich jak cytoplazma i jądro komórkowe. Ten innowacyjny krok może w przyszłości umożliwić badaczom zgłębienie tajników metabolizmu i reakcji chemicznych zachodzących na najmniejszą możliwą skalę.
W skrócie
- Badacze z Japonii opracowali technologię umożliwiającą mierzenie temperatury pojedynczych żywych komórek nowotworowych oraz ich poszczególnych obszarów.
- Nowy typ molekularnych nanosensorów kwantowych oparty na zjawisku superpozycji pozwala na bardzo precyzyjne pomiary temperatury, przewyższając dotychczas stosowane nanodiamenty.
- Czujniki MoQNs dają możliwość wykrywania dodatkowych parametrów komórkowych, a dalszym celem zespołu jest ich miniaturyzacja dla jeszcze mniej inwazyjnego monitorowania komórek.
- Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu, otwiera się w nowym oknie
Termometr kwantowy cenniejszy od diamentów
Do tej pory za najbardziej precyzyjne narzędzia do mierzenia temperatury w skali mikro uznawano nanodiamenty z defektami (skazami w strukturze krystalicznej) znanymi jako centra azotowo-wakancyjne (ang. nitrogen-vacancy centres). Rozwiązanie to miało jednak istotną wadę. Każdy diament jest nieco inny, co prowadziło do niespójności wyników między poszczególnymi sensorami.
Autorzy nowej publikacji w "Science Advances" zaproponowali alternatywę w postaci molekularnych nanosensorów kwantowych (MoQNs). Zespół badawczy osadził cząsteczki pentacenu, związku z grupy węglowodorów, wewnątrz kryształów para-terfenylu. Proces ten polegał na rozbijaniu kryształów na mniejsze drobiny i pokrywaniu ich specjalnym polimerem (Pluronic F-127), by zapobiec ich zbrylaniu i zapewnić bezpieczeństwo dla żywych komórek. Powstałe czujniki osiągnęły rozmiary zaledwie 200-500 nanometrów, co stanowi ułamek średnicy ludzkiej czerwonej krwinki.
Nazywanie tych urządzeń termometrami kwantowymi nie jest chwytem marketingowym. Działanie tych sensorów faktycznie opiera się na mechanice kwantowej, a konkretnie - na zjawisku superpozycji stanów elektronowych w cząsteczkach pentacenu. Oznacza to, że elektrony nie znajdują się w jednym konkretnym położeniu, lecz zajmują wiele stanów jednocześnie.
Japońscy naukowcy odkryli różnice temperatur w jednej komórce
Proces pomiaru temperatury przy użyciu MoQNs przypomina grę świateł. Naświetlanie sensorów zielonym laserem powoduje ich czerwone świecenie, a jednoczesne stymulowanie ich mikrofalami o określonych częstotliwościach wywołuje lekkie przygasanie tego blasku. To właśnie częstotliwość wywołująca ściemnienie jest ściśle powiązana z temperaturą otoczenia.
Dzięki ustaleniu precyzyjnej relacji między tymi wartościami naukowcy są w stanie odczytać temperaturę panującą wewnątrz komórki. Aby wprowadzić sensory do celu, japońscy badacze zanurzali komórki nowotworowe w roztworze z czujnikami lub wstrzykiwali je bezpośrednio do jąder komórkowych.
Wyniki testów pokazały ogromną przewagę nowej metody nad nanodiamentami. Podczas gdy starsza technologia generowała błędy rzędu kilku stopni Celsjusza, pomiary wykonane przez różne molekularne nanosensory kwantowe różniły się między sobą zaledwie o 0,3 ºC. Dzięki tak wysokiej czułości naukowcy odkryli, że różnice temperatur w poszczególnych częściach tej samej komórki mogą wynosić nawet 1 ºC.
Technologia kwantowa "niezwykle użyteczna w wykrywaniu chorób"
Jak wyjaśnia Nobuhiro Yanai, chemik z Uniwersytetu Tokijskiego i współautor badań, wykorzystanie cząsteczek zamiast defektów w sieci krystalicznej do kwantowego wykrywania w żywych komórkach jest "naprawdę, naprawdę świetne, naprawdę niesamowite". Z kolei Hitoshi Ishiwata, ekspert w dziedzinach czujników kwantowych i biofizyki z National Institutes for Quantum Science and Technology (QST) w Chibie zaznacza, że siłą tej platformy jest możliwość niezależnego projektowania cząsteczki sensora, kryształu gospodarza i powłoki cząsteczki.
Osiągnięcie to entuzjastycznie oceniają również eksperci spoza zespołu badawczego. Sarah Mann z Uniwersytetu w Glasgow nazywa odkrycie fantastycznym kamieniem milowym. "To dokładnie ten kierunek, w którym miałam nadzieję, że potoczą się moje własne badania nad tymi materiałami. Będzie to niezwykle użyteczne w wykrywaniu chorób" - zachwyca się ekspertka.
Możliwości technologii MoQNs nie kończą się na mierzeniu temperatury. Oprócz tego sensory potrafią wykrywać inne parametry, takie jak poziom stresu oksydacyjnego, nie wyrządzając przy tym mierzalnych szkód komórce. Co dalej? Kolejnym krokiem badaczy z Japonii jest jeszcze większa miniaturyzacja nanocząsteczek, aby w przyszłości móc niemal niezauważalnie i bezinwazyjnie dla procesów biologicznych "śledzić aktywności komórek".
Zobacz również:
Źródła:
- Ishiwata Hitoshi et al. Molecular quantum nanosensors functioning in living cells. Sci. Adv. 12, eaeb5422 (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aeb5422
- Hutson Matthew. Quantum 'thermometer' takes temperatures inside living cancer cells. Nature (2026). DOI: 10.1038/d41586-026-01444-5
