Phonon-limited detection thresholds for genetically encoded fluorescent-protein spin-qubit relaxometry of neural radicals

Il sistema nervoso si affida a segnali chimici minuscoli e fugaci per coordinare il pensiero, il movimento e la memoria. Tra questi messaggeri, i più importanti sono l'ossido nitrico e le specie reattive dell'ossigeno, molecole che fluttuano tra le cellule per regolare il flusso sanguigno, rafforzare le connessioni tra i neuroni e gestire l'energia cellulare. Poiché questi segnali vengono generati in luoghi microscopici specifici e scompaiono quasi con la stessa velocità con cui appaiono, misurarli è stata a lungo una sfida per gli scienziati. Gli strumenti tradizionali sono o troppo grandi per entrare in una singola cella o troppo grossolani per distinguere il momento preciso in cui un segnale viene rilasciato. Spesso disturbano l'ambiente stesso che cercano di misurare, oppure non riescono a rilevare direttamente la natura magnetica di queste molecole radicaliche. Per comprendere davvero come funziona il cervello a livello molecolare, i ricercatori hanno bisogno di un sensore abbastanza piccolo da essere integrato nel meccanismo stesso della cella, capace di posizionarsi proprio accanto alla fonte del segnale e abbastanza sensibile da percepire il debole sussurro magnetico di una singola molecola passante.

Un recente studio teorico esplora se un tipo specifico di proteina ingegnerizzata possa fungere da sensore ideale. I ricercatori si sono concentrati su una proteina fluorescente codificata geneticamente, una molecola che può essere programmata tramite il DNA per attaccarsi a enzimi specifici all'interno di una cella. Questa proteina possiede una proprietà unica: quando colpita da una luce di un colore specifico, entra in uno stato speciale in cui i suoi elettroni agiscono come un piccolo magnete, o un qubit di spin. Questo stato magnetico è sensibile al suo ambiente. Se un radicale paramagnetico, come l'ossido nitrico, fluttua nelle vicinanze, il suo campo magnetico oscillante fa sì che l'orologio interno della proteina batta più velocemente o più lentamente. Misurando la velocità con cui questo orologio interno cambia, gli scienziati potrebbero teoricamente calcolare la concentrazione locale di queste vitali molecole di segnalazione. L'idea è elegante perché il sensore non è un oggetto estraneo introdotto nella cella; è parte della cella stessa, fusa geneticamente con l'enzima che produce il segnale, posizionando il rilevatore a pochi nanometri dall'azione.

Tuttamente, quando i ricercatori hanno analizzato i dati per vedere se questo concetto funzioni nel mondo reale, hanno riscontrato un ostacolo significativo. Hanno sviluppato una teoria dettagliata per prevedere i limiti della sensibilità di questo sensore, tenendo conto del rumore della luce, della durata della proteina e della fisica di come il sensore interagisce con il suo ambiente. I loro calcoli hanno rivelato che la versione nativa di questa proteina, così come esiste oggi, è decisamente troppo rumorosa per rilevare i livelli fisiologici di radicali neurali. A temperatura ambiente, l'orologio interno del sensore è così instabile che cambia troppo rapidamente per notare l'influenza sottile di un radicale passante. Lo studio mostra che l'attuale sensore è carente rispetto alla sensibilità richiesta di un fattore da un milione a un centomilione. Il principale colpevole non è il design del sensore o i limiti della luce utilizzata per leggerlo, ma il modo in cui la proteina stessa vibra. Gli atomi all'interno della proteina oscillano costantemente a causa del calore, e queste vibrazioni interagiscono con lo stato magnetico del sensamente, facendogli perdere la sua coerenza quasi istantaneamente.

I ricercatori si sono poi posti una domanda critica: cosa servirebbe per risolvere il problema? Hanno scomposto la fisica delle vibrazioni della proteina e hanno scoperto che il rumore è dominato da un tipo specifico di interazione che coinvolge due vibrazioni che avvengono simultaneamente. Questa interazione è estremamente sensibile alla rigidità della struttura proteica. Il team ha scoperto che se l'ambiente che circonda il nucleo della proteina potesse essere reso circa due volte più rigido, l'orologio interno del sensore rallenterebbe abbastanza da diventare utile. Questo irrigidimento permetterebbe al sensore di rilevare concentrazioni di radicali nell'ordine dei micromolari, che corrisponde ai picchi di segnalazione che si verificano quando i neuroni sono attivi. Tuttavia, raggiungere i livelli di riposo ancora più bassi di questi segnali — concentrazioni nanomolari — richiederebbe una struttura ancora più rigida, capace di sopprimere un altro tipo di vibrazione che attualmente stabilisce un limite invalicabile su quanto lentamente l'orologio possa battere.

Oltre ai requisiti strutturali, lo studio ha anche evidenziato un secondo collo di bottiglia: il numero di particelle di luce, o fotoni, che il sensore può emettere prima di essere distrutto dalla luce stessa utilizzata per la lettura. Anche se l'orologio interno della proteina fosse perfetto, il sensore farebbe comunque fatica a rilevare bassi livelli di radicali se non riuscisse a produrre abbastanza luce da essere visto chiaramente rispetto al rumore di fondo. I ricercatori hanno calcolato che, per ottenere la sensibilità necessaria, gli scienziati dovrebbero migliorare la brillantezza del sensore e l'efficienza dei sistemi ottici di diversi ordini di grandezza, oppure utilizzare milioni di sensori lavorando insieme. Ciò crea un compromesso: migliorare la stabilità interna del sensore è il modo più efficiente per aumentare la sensibilità, ma deve essere accompagnato da una migliore raccolta della luce per essere efficace.

Il documento ha anche esplorato come questo sensore ancorato geneticamente si confronti con le tecnologie esistenti. I metodi attuali utilizzano spesso piccoli diamanti contenenti vacanze di azoto, che sono eccellenti sensori ma sono troppo grandi per essere inseriti all'interno di una specifica proteina. Devono essere consegnati alla cella come particelle estranee e tipicamente si trovano a dieci o venti nanometri di distanza dal bersaglio, perdendo i segnali più concentrati. Il sensore a proteina fluorescente, al contrario, può essere fuso direttamente con la fonte, posizionandosi a soli pochi nanometri. Questa vicinanza gli conferisce un vantaggio distintivo nel rilevare i picchi locali di attività, a patto che i problemi di stabilità interna vengano risolti. I ricercatori hanno anche proposto un metodo per distinguere tra diversi tipi di radicali misurando come il sensore risponde a diverse frequenze magnetiche, una capacità di cui mancano i sensori attuali a frequenza singola.

In definitiva, lo studio conclude che, sebbene il concetto di utilizzare queste proteine come sensori quantistici sia scientificamente valido, la versione attuale non è ancora pronta per l'uso biologico. La strada da percorrere è chiara ma impegnativa: richiede uno sforzo mirato per ingegnerizzare la struttura della proteina affinché sia significativamente più rigida e per migliorare i sistemi ottici per catturare più luce. I ricercatori hanno fornito una tabella di marcia specifica e quantitativa per questa sfida di ingegneria, definendo esattamente quanto la proteina debba cambiare per diventare uno strumento praticabile per la neuroscienza. Suggeriscono che attraverso l'evoluzione diretta, un processo in cui le proteine vengono migliorate iterativamente in laboratorio, sia possibile raggiungere la rigidità necessaria. Fino ad allora, il sogno di osservare i radicali neurali in tempo reale con un sensore quantistico codificato geneticamente rimane appena fuori portata, bloccato dalle vibrazioni fondamentali della proteina stessa.