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

Het zenuwstelsel vertrouwt op minuscule, vluchtige chemische signalen om gedachte, beweging en geheugen te coördineren. Onder de belangrijkste van deze boodschappers behoren stikstofoxide en reactieve zuurstofverbindingen, moleculen die tussen cellen door drijven om de bloedstroom te reguleren, verbindingen tussen neuronen te versterken en de energie van de cel te beheren. Omdat deze signalen in specifieke, microscopische locaties worden gegenereerd en bijna net zo snel verdwijnen als ze verschijnen, is het meten ervan voor wetenschappers lang een uitdaging geweest. Traditionele instrumenten zijn ofwel te groot om in een enkele cel te passen, of te grof om het precieze moment van een signaalafgifte te onderscheiden. Ze verstoren vaak de omgeving die ze proberen te meten, of ze falen in het direct detecteren van de magnetische aard van deze radicale moleculen. Om echt te begrijpen hoe de hersenen op moleculair niveau werken, hebben onderzoekers een sensor nodig die klein genoeg is om in de eigen machinerie van de cel te worden gebouwd, in staat is om vlak naast de bron van het signaal te zitten, en gevoelig genoeg is om de zwakke magnetische fluistering van een enkel voorbijgaand molecuul te voelen.

Een recente theoretische studie onderzoekt of een specifiek type gemanipuleerd eiwit als deze ideale sensor kan dienen. De onderzoekers richtten zich op een genetisch gecodeerd fluorescent eiwit, een molecuul dat door DNA geprogrammeerd kan worden om zich aan specifieke enzymen binnen een cel te hechten. Dit eiwit heeft een unieke eigenschap: wanneer het wordt geraakt door een specifieke kleur licht, gaat het in een speciale staat waarin zijn elektronen zich gedragen als een kleine magneet, of een spin-qubit. Deze magnetische staat is gevoelig voor de omgeving. Als een paramagnetisch radicaal, zoals stikstofoxide, in de buurt drijft, zorgt zijn fluctuerende magnetisch veld ervoor dat de interne klok van het eiwit sneller of langzamer tikt. Door te meten hoe snel deze interne klok verandert, zouden wetenschappers theoretisch de lokale concentratie van deze vitale signaleringsmoleculen kunnen berekenen. Het idee is elegant omdat de sensor geen vreemd object is dat in de cel wordt gedropt; het is een onderdeel van de cel zelf, genetisch gefuseerd aan het enzym dat het signaal produceert, waardoor de detector zich op slechts enkele nanometers van de actie bevindt.

Echter, toen de onderzoekers de cijfers doorrekenden om te zien of dit concept in de echte wereld werkt, stuitten ze op een aanzienlijke hindernis. Ze ontwikkelden een gedetailleerde theorie om de grenzen van de gevoeligheid van deze sensor te voorspellen, waarbij rekening werd gehouden met de ruis van licht, de levensduur van het eiwit en de fysica van de interactie tussen de sensor en zijn omgeving. Hun berekeningen toonden aan dat de natuurlijke versie van dit eiwit, zoals die vandaag de dag bestaat, veel te ruizig is om fysiologische niveaus van neurale radicalen te detecteren. Bij kamertemperatuur is de interne klok van de sensor zo onstabiel dat deze te snel verandert om de subtiele invloed van een voorbijgaand radicaal op te merken. De studie laat zien dat de huidige sensor tekortschiet in de vereiste gevoeligheid met een factor één miljoen tot honderd miljoen. De primaire boosdoener is niet het ontwerp van de sensor of de beperkingen van het licht dat wordt gebruikt om het af te lezen, maar de manier waarop het eiwit zelf vibreert. De atomen binnen het eiwit trillen constant door warmte, en deze trillingen interageren met de magnetische staat van de sensor, waardoor deze bijna onmiddellijk zijn coherentie verliest.

De onderzoekers stelden vervolgens een cruciale vraag: wat zou er nodig zijn om dit te repareren? Ze braken de fysica van de trillingen van het eiwit af en ontdekten dat de ruis wordt gedomineerd door een specifiek type interactie waarbij twee trillingen tegelijkertijd plaatsvinden. Deze interactie is extreem gevoelig voor hoe stijf de structuur van het eiwit is. Het team kwam tot de conclusie dat als de omgeving rond de kern van het eiwit ongeveer twee keer zo stijf gemaakt zou kunnen worden, de interne klok van de sensor traag genoeg zou worden om bruikbaar te zijn. Deze verstijving zou de sensor in staat stellen om concentraties van radicalen in het micromolaire bereik te detecteren, wat overeenkomt met de uitbarstingen van signalering die optreden wanneer neuronen actief zijn. Het bereiken van zelfs de nog lagere, rustende niveaus van deze signalen — nanomolaire concentraties — zou echter een nog stijvere structuur vereisen, een structuur die een ander type trilling onderdrukt die momenteel een harde limiet stelt aan hoe traag de klok kan tikken.

Naast de structurele vereisten benadrukte de studie ook een tweede belangrijke flessenhals: het aantal lichtdeeltjes, of fotonen, dat de sensor kan uitzenden voordat hij wordt vernietigd door het licht dat wordt gebruikt om hem af te lezen. Zelfs als de interne klok van het eiwit perfect zou zijn, zou de sensor nog steeds moeite hebben met het detecteren van lage concentraties radicalen als hij niet genoeg licht kan produceren om duidelijk zichtbaar te zijn tegen de achtergrondruis. De onderzoekers berekenden dat wetenschappers, om de vereiste gevoeligheid te bereiken, de helderheid van de sensor en de efficiëntie van de optische apparatuur met meerdere grootheden zouden moeten verbeteren, of miljoenen sensoren samen zouden moeten laten werken. Dit creëert een afweging: het verbeteren van de interne stabiliteit van de sensor is de meest efficiënte manier om de gevoeligheid te vergroten, maar dit moet gepaard gaan met een betere lichtverzameling om effectief te zijn.

Het artikel onderzocht ook hoe deze genetisch verankerde sensor zich verhoudt tot bestaande technologieën. Huidige methoden maken vaak gebruik van minuscule diamanten met stikstof-vacatures, die uitstekende sensoren zijn maar te groot zijn om in een specifiek eiwit geplaatst te worden. Ze moeten als vreemde deeltjes in de cel worden gebracht en bevinden zich doorgaans tien tot twintig nanometer verwijderd van het doelwit, waardoor ze de meest geconcentreerde signalen missen. De fluorescente eiwitsensor kan daarentegen direct aan de bron worden gefuseerd, waardoor hij zich slechts enkele nanometers verwijderd bevindt. Deze nabijheid geeft het een duidelijk voordeel bij het detecteren van lokale uitbarstingen van activiteit, mits de problemen met de interne stabiliteit worden opgelost. De onderzoekers stelden ook een methode voor om verschillende soorten radicalen te onderscheiden door te meten hoe de sensor reageert op verschillende magnetische frequenties, een capaciteit die huidige sensoren met één enkele frequentie missen.

Uiteindelijk concludeert de studie dat hoewel het concept om deze eiwitten als kwantumsensoren te gebruiken wetenschappelijk gezien levensvatbaar is, de huidige versie nog niet klaar is voor biologisch gebruik. De weg vooruit is duidelijk maar veeleisend: het vereist een gerichte inspanning om de structuur van het eiwit aanzienlijk stijver te maken en om de optische systemen te verbeteren om meer licht te vangen. De onderzoekers hebben een specifiek, kwantitatief stappenplan geboden voor deze engineeringuitdaging, waarbij ze precies definiëren hoeveel het eiwit moet veranderen om een bruikbaar instrument voor de neurowetenschappen te worden. Ze suggereren dat het via gerichte evolutie, een proces waarbij eiwitten iteratief in het laboratorium worden verbeterd, mogelijk is om de benodigde stijfheid te bereiken. Tot die tijd blijft de droom om neurale radicalen in realtime te observeren met een genetisch gecodeerde kwantumsensor net buiten bereik, geblokkeerd door de fundamentele trillingen van het eiwit zelf.