Оксфордская команда разрабатывает квантовые белки, открывая новый рубеж в биотехнологии

Впервые в мире исследовательская группа под руководством факультета инженерных наук Оксфордского университета продемонстрировала возможность создания квантово-механического процесса внутри белков, открыв дверь новому классу квантовых биологических технологий.

В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature, сообщается о создании нового класса биомолекул — магниточувствительных флуоресцентных белков (или МФП), которые могут взаимодействовать с магнитными полями и радиоволнами. Это становится возможным благодаря квантово-механическим взаимодействиям внутри белка и происходит, когда он подвергается воздействию света соответствующей длины волны.

Хотя ранее было показано, что квантовые эффекты играют центральную роль в некоторых биологических процессах (например, в навигации птиц), впервые они были разработаны для создания нового семейства практических технологий. Это знаменует переход от наблюдения квантовых эффектов в природе к их сознательному проектированию для использования в реальном мире.

Исследователи уже изучают возможности применения этих технологий в биомедицине. В рамках исследования команда создала прототип прибора визуализации, который может определять местонахождение сконструированных белков, используя механизм, аналогичный магнитно-резонансной томографии (МРТ), широко используемой в больницах. Однако, в отличие от МРТ, он сможет отслеживать определенные молекулы или экспрессию генов в живом организме. Такие измерения имеют решающее значение для решения медицинских задач, включая адресную доставку лекарств и мониторинг генетических изменений внутри опухолей.

Для создания модифицированных белков исследовательская группа использовала биоинженерный метод, известный как направленная эволюция. В этом методе в последовательность ДНК, кодирующую белок, вносятся случайные мутации, создавая тысячи вариантов с измененными свойствами. Из этой коллекции выбираются высокопроизводительные варианты, и процесс повторяется. После многих последовательных раундов направленной эволюции выбранные белки имели значительно улучшенную чувствительность к магнитным полям.

Достижение прорыва потребовало амбициозного междисциплинарного подхода, объединяющего опыт в области инженерной биологии, квантовой теории и искусственного интеллекта – трех инновационных областей, которые недавно были выделены как центральные в промышленной стратегии Великобритании. Это исследование считается первым, в котором их пересечение было использовано для создания новой технологии.

Габриэль Абрахамс, первый автор статьи и аспирант факультета технических наук, описал эту работу как “чрезвычайно захватывающее открытие. Что меня поражает, так это сила эволюции: мы еще не знаем, как спроектировать действительно хороший биологический квантовый датчик с нуля, но, тщательно управляя эволюционным процессом бактерий, природа нашла для нас путь”.

Старший автор исследования, доцент факультета инженерных наук Харрисон Стил, сказал: “Наше исследование подчеркивает, насколько сложно предсказать извилистую дорогу от фундаментальной науки к технологическому прорыву. Например, наше понимание квантовых процессов, происходящих внутри MFP, было раскрыто только благодаря экспертам, которые потратили десятилетия на изучение того, как птицы ориентируются с помощью магнитного поля Земли. Между тем, белки, которые послужили отправной точкой для инженерных MFP, произошли из обыкновенного овса!”

Профессор Стил продолжил: «Мы безмерно благодарны за поддержку нашей работы, особенно за финансирование в рамках гранта программы EPSRC EEBio, который сыграл важную роль в реализации нашего междисциплинарного видения для реализации биоинженерии наряду с робототехникой, алгоритмами управления и искусственным интеллектом, и все это в одной лаборатории».

После успеха этого проекта команда теперь ускоряет работу по реализации многочисленных применений своего открытия и углублению нашего понимания квантовых эффектов в природе в рамках недавнего крупного проекта BBSRC, возглавляемого химическим факультетом Оксфорда.

Группу возглавлял факультет инженерных наук Оксфорда с сотрудниками факультета химии и международными партнерами из Орхусского университета, Королевского Мельбурнского технологического института, Университета Сунгюнкван и американской компании Calico Life Sciences LLC.

Абрахамс Г, Штухец А, Спренг В, Генри Р, Кемпф И, Джеймс Дж, Сечкар К, Стейси С, Треллес-Фернандес В, Антилл Л.М., Тиммел Ч.Р., Миллер Дж.Дж., Ингарамо М., Йорк А.Г., Тетьен Дж.П., Стил Х.
Квантовый спиновый резонанс в сконструированных белках для мультимодального зондирования.
Природа. 21 января 2026 г. дои: 10.1038/s41586-025-09971-3