Viele Prozesse in unserem Körper bleiben uns noch immer verborgen. Gerade was auf Zellebene abläuft, ist häufig schwer zu messen, aber natürlich extrem wichtig. Forschenden ist es jetzt gelungen, Proteine in winzige Sensoren zu verwandeln, mit dem Potenzial, Prozesse im Körper künftig präziser zu messen. Das ist unser Thema heute im Spektrum Podcast. Mein Name ist Max Zimmer. Schön, dass ihr dabei seid. Spektrum der Wissenschaft – der Podcast von detektor.fm.
Sogenannte fluoreszierende Proteine gehören seit Jahrzehnten zu den wichtigsten Werkzeugen in der Biologie, denn sie bringen Zellen zum Leuchten. Damit machen sie sichtbar, was sonst im Verborgenen bleibt. Doch jetzt könnte ihnen ein ganz neues Einsatzgebiet bevorstehen. Forschende arbeiten nämlich daran, bestimmte fluoreszierende Proteine so zu nutzen, dass sie sich wie die kleinsten Informationseinheiten eines Quantencomputers verhalten. Klingt jetzt erstmal kompliziert, aber bleibt dran. Die Hoffnung ist nämlich, dass diese Qubits als extrem empfindliche Sensoren dienen, direkt in lebenden Zellen. Das ist extrem kompliziert, schafft aber faszinierende Möglichkeiten, denn Quantensensoren sind in der Lage, winzigste Veränderungen in unseren Zellen zu erfassen. Die Forschung dazu steht zwar noch am Anfang, aber erste Experimente zeigen, das Prinzip funktioniert und hat ein riesiges Potenzial, zum Beispiel in der Medizin.
Aber wie funktioniert das genau? Darüber will ich sprechen und zwar mit Katharina Menne. Sie ist Redakteurin für Physical Sciences und Biologie bei Spektrum der Wissenschaft und heute mein Gast hier im Podcast. Hallo Katharina. Hallo Max. Katharina, wir müssen jetzt in eine Welt eintauchen, die Quantenmechanik, die vielleicht so ein bisschen schwer vorzustellen ist. Vielleicht steigen wir also mit ein paar Grundlagen ein. Ein wichtiger Begriff heute wird Qubit sein. Was ist denn eigentlich ein Qubit? Ein Qubit, du sagtest das vorhin schon, ist die kleinste Rechen- oder Informationseinheit eines Quantencomputers. Und zwar ist ein Qubit vergleichbar mit dem Bit in einem normalen Computer. Jetzt können sich darunter vielleicht auch viele Menschen gar nicht so viel vorstellen. Der Unterschied zwischen den beiden ist aber ziemlich faszinierend, denn ein normales Bit kann nur entweder 0 oder 1 sein, also an oder aus. Ein Qubit kann dagegen beides gleichzeitig sein. Man spricht dann von einer Überlagerung der beiden Zustände 0 und 1. Du kannst dir das vielleicht bildlich wie eine Münze vorstellen. Wenn sie jetzt auf dem Tisch liegt, dann liegt sie entweder auf Kopf oder Zahl. Das heißt, entweder ist das andere dann oben, Kopf oder Zahl. Das wäre ein klassisches Bit, 1 oder 0. Wenn du sie jetzt aber hoch schnippst und sie in der Luft rotiert, dann ist sie gewissermaßen in dieser Zeit, in der sie rotiert, beides gleichzeitig. Und erst wenn man sie auffängt und dann nachschaut, also guckt, was jetzt oben oder unten ist, die Information ausliest, dann nimmt sie wieder einen klaren Zustand an. Und genau so verhält sich eben ein Qubit. Und das ist der Trick. Durch diese Eigenschaft können Quantencomputer viele Möglichkeiten gleichzeitig durchspielen. Und das macht sie zumindest in der Theorie bei bestimmten Aufgaben extrem viel schneller als klassische Computer.
Und dann Qubits, das eine Quantensensoren sind, das andere über das wir heute viel sprechen. Was sind denn Quantensensoren und wofür werden die eingesetzt? Quantensensoren sind extrem empfindliche Messgeräte, die sich auch wieder die Gesetze der Quantenphysik zunutze machen. Ein Quantensensor besteht, wie auch ein Qubit, aus einem quantenmechanischen Zwei-Zustandssystem. Ich sagte eben 0 und 1, also ich brauche mindestens zwei Zustände. Das kann beispielsweise ein Atom sein oder ein Photon oder auch eine Stickstofffehlstelle in einem Diamanten. Ja, letztlich kann man sagen, lässt sich jedes System nutzen, mit dem man auch ein Qubit für einen Quantencomputer realisieren kann. So, und wenn ich jetzt aber, oder während ich jetzt aber die Qubits beim Quantencomputer möglichst gut von ihrer Umgebung abschirmen muss – du kennst das vielleicht, diese riesigen Kühlschränke, die man so kennt mit diesen ganzen Kabeln außenrum, so wie man es von Google von den Quantencomputern kennt – damit sie die Quanteninformation möglichst lange speichern, muss ich sie so abschirmen. Aber in der Quantensensorik nutze ich genau diese Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen. Das heißt, ich brauche plötzlich nicht mehr Abertausende Qubits, um etwas Sinnvolles zu tun, sondern mir reicht ein einziges Qubit. Und das ist quasi schon ein Quantensensor, der Magnetfelder oder andere Dinge detektieren kann. Und das Messprinzip beruht darauf, dass eine Überlagerung zwischen diesen beiden ausgewählten Zuständen, meistens sind das Energieniveaus, typischerweise zu einer Schwingung der quantenmechanischen Wellenfunktion führt. Wenn ich jetzt die Schwingungsfrequenz, die vom Abstand der Energieniveaus abhängt, messe, also auch vor allen Dingen die Änderung, kann ich das ganz hochpräzise hinbekommen und habe dann ganz feine Unterschiede, ganz feine Änderungen, die ich da rauskriege. Und während jetzt normale Sensoren zum Beispiel Temperatur, Druck oder Bewegung messen können, erfassen Quantensensoren eben ganz winzige Veränderungen, die für klassische Magnetfelder minimale Bewegung oder sogar Veränderungen im Gravitationsfeld sind. Man kann sich das so vorstellen: Ein normaler Sensor ist wie ein gutes Mikrofon, und ein Quantensensor ist ein super Mikrofon, der selbst das leiseste Flüstern im Raum hört. Ja, und Quantensensoren sind also Hightech-Messgeräte, die Dinge sichtbar machen, die bisher verborgen waren. Und wieso ist diese Technologie so wichtig? Ja, viele moderne Probleme oder auch Dinge, die wir gerne hinbekommen wollen, messen wollen, hängen davon ab, extrem kleine oder schwache Signale präzise zu messen. Also ich sagte eben, klassische Sensoren stoßen dabei an Grenzen. Und Quantensensoren sind die neue Generation der Sensoren, die diese Grenze überwinden können, weil sie, wie vorhin schon gesagt, auf Quantenphänomenen basieren und dadurch viel empfindlicher sind. Man begibt sich also gewissermaßen von der alltäglichen Makrowelt, die wir kennen, in die Mikrowelt, in der die Gesetze der Quantenphysik gelten. Und um mal ein paar praktische Beispiele zu nennen: Tatsächlich werden diese Quantensensoren sogar schon in der Medizin eingesetzt, um zum Beispiel bessere MRT-Bilder zu erzeugen und dadurch Krankheiten früher zu erkennen. Sie werden schon eingesetzt bei der Suche nach Rohstoffen unter der Erde oder auch in der Grundlagenforschung, um neue physikalische Phänomene zu entdecken. Und es gibt auch sehr viel Forschung bereits im Bereich der Mikrofluidik, also der Analyse von Stoffen in Körperflüssigkeiten wie Blut oder Schweiß. Und das fand ich auch ganz besonders faszinierend: Es konnte bereits mit einem Quantensensor auf Diamantbasis im Labor das Herzsignal einer Ratte detektiert werden. Also diese Magnetfelder vom Herzen oder auch vom Gehirn sind so unfassbar schwach, dass man die jetzt mit klassischen Sensoren gar nicht so leicht messen kann. Ja, und Forschende glauben auf jeden Fall, aufgrund dieser Möglichkeiten, dass Quantensensoren generell die Messtechnik in vielen Bereichen revolutionieren werden. Sehr spannende Technologie.
Und bei Spektrum habt ihr euch in einem Artikel auch gerade eine Anwendung in der Biologie angeschaut. Das ist ja jetzt erst mal nicht so intuitiv. Vielleicht kannst du mal erklären, wie kommen wir denn jetzt dahin von der Quantenmechanik aus? Ja, tatsächlich klingt das erst mal widersinnig. Also ich habe ja auch gerade schon von dem Herz der Ratte erzählt, aber da kann man sich vorstellen, dass man da immer von außen guckt. Also dass ich diesen Quantensensor jetzt nicht in einen lebenden Organismus irgendwie reinbekommen muss und den dafür aufschneide oder so. Also kann man sicherlich auch, aber das ist eben genau nicht das Ziel, sondern ich möchte ja möglichst berührungsfrei und ohne Operation diese Signale messen können. Ja, und auf den ersten Blick scheinen Biologie und Quantentechnologie auch sehr grundverschieden. Lebende Systeme operieren in warmen, man sagt auch verrauschten Umgebungen, sind permanent in Bewegung. Quantensysteme dagegen brauchen in der Regel extreme Isolation, Temperaturen nah dem absoluten Nullpunkt, um zu funktionieren. Deswegen ja auch dieser Riesenkühlschrank. Allerdings ist die Quantenmechanik die Grundlage von allem, also auch von biologischen Molekülen. Und die beiden Physiker Peter Maurer und David Afschalom von der University of Chicago in den USA haben sich vor einiger Zeit bereits gefragt, ob es nicht vielleicht doch mehr Gemeinsamkeiten zwischen den beiden geben könnte, als bislang angenommen. Und das war dann der große Durchbruch. Und das, was daran so faszinierend ist: Sie haben es tatsächlich geschafft, ein in lebenden Zellen vorkommendes Protein in ein funktionierendes Qubit umzuwandeln. Und im Gegensatz zu künstlichen Nanomaterialien, wie die bereits vielfach jetzt erwähnten Diamant-Qubits, können diese Protein-Qubits direkt von den Zellen hergestellt und mit atomarer Präzision am gewünschten Ort platziert werden. Und wie funktioniert das? Das klingt ja irgendwie ziemlich verrückt. Wie soll jetzt dieses Protein, dieses Protein Qubit in die Zelle kommen? Man nutzt einfach die Fähigkeit der Zelle aus, solche komplexen Moleküle selbst zu bauen. Also wenn man ein Protein haben will, das bestimmte quantenphysikalische Eigenschaften hat, dann entwirft man genau dafür die passende DNA-Sequenz. Und diese künstlich designte DNA wird dann in die Zelle eingeschleust. Die liest den Bauplan ab und beginnt, das entsprechende Protein vor Ort herzustellen. Ziemlich cool, oder? Aber ich muss noch mal fragen: Wie kann ein biologisches Molekül, wie jetzt zum Beispiel ein Protein, zu einem Qubit werden? Ja, fluoreszierende Proteine arbeiten nach einem ich sag jetzt mal recht simplen Prinzip. Sie leuchten, wenn ihre Elektronen durch Laserlicht auf ein höheres Energieniveau angeregt werden. Also ich habe ein Protein, da gibt es jetzt so ein Elektron, und das rege ich an, und das geht jetzt in einen höheren Zustand. Und wenn das jetzt von dem angeregten Zustand wieder in den Grundzustand übergeht, dann sendet es eben wieder Licht aus, leuchtet. So, und Varianten davon existieren in vielen Farben. Einige reagieren auch auf den pH-Wert, also auf Änderungen des pH-Werts, andere auf mechanische Kräfte innerhalb der Zellen, auf Calcium-Ionen oder auf Enzyme. Was sie aber bislang noch nicht detektieren können, sind Magnetfelder, zumindest nicht ohne ein quantenphysikalisches Upgrade. So, und jetzt nutzen die beiden Forscher, ich habe sie schon genannt, David Afshalom und Peter Maurer, eine Eigenschaft des sogenannten Enhanced Yellow Fluorescent Protein aus. Das ist eine verbesserte Variante des sehr gut bekannten und in vielen biologischen Forschungslaboren verbreiteten grün fluoreszierenden Proteins. Man nennt es auch einfach abgekürzt GFP. Das kommt ursprünglich aus der Qualle Equorea Victoria. Und das kennt man schon ganz lange. Wie gesagt, du hast es auch in der Einleitung gesagt, ein sehr weit verbreitetes Werkzeug in der Biologie. Und es hat jetzt eine Eigenschaft, die bislang als Makel galt, nämlich ein geringer Anteil der angeregten Elektronen wechselt, anstatt sofort in den Grundzustand zurückzugehen, in einen sogenannten Triplet-Zustand. Und das ist so ein metastabiler, nicht fluoreszierender Zustand mit drei möglichen Spin-Konfigurationen der Elektronen. Also wir sind jetzt wirklich sehr tief in der Physik, in der Quantenmechanik. Und dieses Protein, das flackert dadurch. Und das will man natürlich eigentlich gar nicht haben. Ich möchte ja konstant dieses fluoreszierende Licht sehen können, um damit arbeiten zu können. Und jetzt hatte das Team von Peter Maurer nämlich so einen Aha-Moment und hat gedacht: Ach Mensch, wenn das jetzt da oben in diesem Triplet-Zustand bleibt, vielleicht kann ich dann darin Quanteninformationen speichern. Ja, und seine Arbeitsgruppe hat dann einen Weg gefunden, diese Informationen mit Hilfe von Methoden aus der Quantenphysik zum einen in Anführungszeichen einzuspeichern, also die Informationen in dieses Qubit reinzupacken, in diesen Triplet-Zustand und in die Spins, aber es eben auch wieder auszulesen. Und das Team nutzt dafür Mikrowellenpulse, um das Protein-Qubit zu manipulieren, also Techniken, die auch in anderen Qubit-Systemen wie etwa supraleitenden Qubits oder Diamant-Qubits zum Einsatz kommen. Ja, und schon hatte man so einen Baukasten aus lauter Methoden, die man schon kennt und die man aber plötzlich auf einem biologischen System anwenden kann.
Krass, Katharina! Und du hast ja schon gesagt, die sollen dann wirklich in lebenden Zellen wie Sensoren agieren. Klappt das denn schon, und wenn ja, wie? Genau, die Forscher konnten inzwischen zeigen, und das ist nämlich jetzt wirklich beeindruckend, dass dieser Quantensensor in lebenden Bakterienzellen bei Raumtemperatur funktioniert. Also all das, was man eigentlich bei normalen Qubits, nämlich nicht so einfach hinbekommt. Die müssen ja, wie gesagt, kühlen oder irgendwie mit Lasern ganz spezifisch einschließen. Also da gibt es ja auch alle möglichen Technologien. Und tatsächlich konnten die zeigen, dass sich die Intensität des Fluoreszenzlichts unter dem Einfluss von Magnetfeldern um rund 30 Prozent verändert hat. Also das heißt, man konnte eine nennenswerte Änderung herausfinden oder messen. Und der Physiker Andrew York hat außerdem herausgefunden, dass rote und grüne Fluoreszenz-Proteine sehr leicht magnetfeldempfindlich werden, wenn sie ein kleines organisches Zusatzmolekül, ein sogenanntes Flavin, tragen. Und jetzt sind die Quanteneigenschaften in diesem gekoppelten System ein bisschen komplizierter und anders als bei dem, was ich eben gesagt habe. Aber im Großen und Ganzen schon ähnlich. Magnetfelder beeinflussen die Spinzustände der Elektronen, und das wiederum verändert die Intensität des emittierten Lichts. Und Yorks Team hat inzwischen schon 3000 leicht unterschiedliche Proteinvarianten hergestellt und diejenigen ausgewählt, die am empfindlichsten auf Magnetfelder reagieren. Also die haben da schon sehr umfassende Versuche gemacht und haben sich dann aber für die weiteren Untersuchungen auf vier besonders vielversprechende Kandidaten fokussiert. Was ich daran jetzt so spannend fand, ist, dass jede von diesen Varianten, die sie da jetzt ausgewählt haben, so ein ganz charakteristisches Blinkmuster zeigt. Ich habe eben gesagt, durch diesen Triplet-Zustand blinkt das so. Und künftig wollen sie halt ein ganzes Set dieser Proteinmarke entwickeln, weil man dann, das nennt sich Multiplexing, also all diese Proteine in so eine Zelle einschleusen oder davon herstellen lassen kann und dann gleichzeitig in einer Zelle viele Proteine in derselben Probe sich anschauen kann. Das heißt, wenn man dann da dieses Blinken sieht, weiß man, das war dieses Protein, und wenn man ein anderes Blinken sieht, weiß man, das war das Protein. Genau. Also die sind da schon wirklich richtig tief in der Materie. Und ich habe es eingangs schon gesagt, diese Technologie hat ein unfassbares Potenzial. Vielleicht kannst du mal ein bisschen erzählen, was könnten denn konkrete Anwendungen sein, wenn ich jetzt an Medizin denke, aber auch an Forschung? Ja, da gibt es in der Tat sehr viele Ideen. Diese magnetempfindlichen Proteine könnten zum Beispiel die Bildgebung verbessern. Also man könnte einfach noch besser in diese lebenden Zellen reinschauen. Die herkömmliche Fluoreszenzmikroskopie, die man eben aktuell verwendet und die auch grundsätzlich gut funktioniert, liefert auch jetzt schon detaillierte Einblicke in die Proteinaktivität im Gewebe, aber eben nur, wenn man das Licht sehr gut sehen kann. Und normalerweise bedeutet das, dass man entweder so ein Versuchstier aufschneiden muss oder dass man nur einen Millimeter tief in sein Gewebe blicken kann. Und ja, tiefer im Gewebe streut das Licht, und das Signal verschwimmt. Du kannst dir das so vorstellen, als würdest du jetzt so deine Hand nehmen und von unten mit einer Taschenlampe da so durchleuchten. Dann siehst du zwar so einen leichten Lichtschein, aber das ist natürlich nicht besonders scharf. Also du kannst ja deswegen jetzt nicht irgendwie durch deine Hand durchgucken. Ja, und weil sich diese Proteine dann eben durch Magnetfelder auch noch steuern lassen, eröffnen sich auch Möglichkeiten für eine sogenannte Magnetogenetik. Also man könnte dann zum Beispiel aus der Ferne gezielt bestimmte Prozesse im Körper an oder ausschalten, ohne direkt eingreifen zu müssen. Also zum Beispiel würden sich dann Proteine aus der Ferne aktivieren lassen, die dann wiederum andere benachbarte Proteine binden. Oder man könnte sogar gezielt therapeutische Prozesse starten. Und all das eben tief im Innern des Körpers, ohne dass man irgendwas aufschneiden oder abtragen muss. Das wäre natürlich schon sehr schön, wenn man das hinkriegen würde. Aber auch das muss man sagen, wir stehen natürlich noch relativ am Anfang. Welche technischen Herausforderungen oder Hürden müssen denn noch gelöst werden, bevor diese Technologie dann wirklich breit eingesetzt werden kann? Also das größte Problem aktuell ist noch, dass fluoreszierende Proteine im Allgemeinen auch sehr empfindlich sind. Also ich habe eben gesagt, sie sind jetzt nicht so empfindlich gegenüber Temperatur, aber sie zerfallen mit der Zeit, wenn man sie immer wieder mit Licht bestrahlt. Also das heißt, da muss man einfach noch ein bisschen an der Stabilität arbeiten. Außerdem versucht Maurers Team, die Sensitivität noch weiter zu erhöhen. Also während Dialogen ja bislang habe ich gesagt, Leuchtproteine bevorzugen, die möglichst wenig Zeit im Triplet-Zustand verbringen, soll ja jetzt genau das Gegenteil erreicht werden. Also die sollen ja möglichst lange im Triplet-Zustand verbringen. Das heißt, da muss man auf jeden Fall noch dran arbeiten. Zudem wollen die Fachleute auch prüfen, ob die Proteine, so ähnlich wie es aktuell schon bei Diamantsensoren möglich ist, zuverlässig Temperatur oder auch pH-Wertänderungen detektieren können. Also einfach, dass man so ein bisschen das Messspektrum erweitert. Ja, also insgesamt kann man, glaube ich sagen, die Idee, Quantensensoren für den Einsatz in lebenden Zellen zu entwickeln, steckt noch in den Kinderschuhen. Du hast es ja auch schon so ein bisschen erwähnt. Also auch wenn das alles schon sehr konkret klingt, so ein bisschen gibt es hier und da erste Ergebnisse und erste Paper. Aber es ist halt aktuell Proof of Concept. Also man konnte zeigen, es funktioniert, aber da ist wirklich noch viel zu tun. Und insbesondere die genetische Präzision, mit der ein solcher proteinbasierter Quantensensor in die Zelle eingebracht werden kann, ist laut Peter Maurer so ein entscheidender Pluspunkt, dass sich aber diese Forschung daran auch wirklich lohnt. Oder wie die Physikerin Anja Jejic von der University of California in Santa Barbara in einem Artikel bei uns sagt, oder da wird sie eben zitiert: Es ist erst der Anfang, aber er ist vielversprechend. Das auf jeden Fall. Es ist ein sehr vielversprechender Anfang für eine krasse Technologie, die uns viele Vorteile bringen könnte. Deswegen hoffen wir natürlich, dass die Forschung auch in den nächsten Jahren da gut weiterkommt. Und wenn ihr euch ein bisschen mehr damit noch befassen wollt, dann findet ihr mehrere Artikel dazu auch auf spektrum.de. Und Katharina, dir sage ich vielen Dank fürs Erklären. Ja, danke dir, Max, für die tollen Fragen. Das war’s für diese Woche vom Spektrum Podcast. Vielen Dank euch fürs Zuhören. Seid gern auch kommende Woche wieder dabei. Wie immer am Freitag dann eine neue Folge von uns. Bis dahin würde ich mich freuen, wenn ihr den Podcast abonniert, wenn ihr kommentiert, bewertet und teilt. Das hilft uns immer sehr. Und schaut auch bei den anderen Spektrum Podcasts rein, die großen Fragen der Wissenschaft und die Geschichten aus der Mathematik. Auch das lohnt sich immer. Katharina hört ihr da unter anderem auch. Auch dafür nochmal vielen Dank, dass ihr die anderen Podcasts hört, dass ihr abonniert, bewertet und teilt. Spektrum der Wissenschaft, der Podcast von detektor.fm.
Foto: Spektrum der Wissenschaft