In un nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che la luce quantistica può essere utilizzata per monitorare le reazioni enzimatiche in tempo reale. Il lavoro riunisce la fisica quantistica e la biologia in un passo importante verso lo sviluppo di sensori quantistici per applicazioni biomediche.

Le complesse molecole note come enzimi sono responsabili di molti processi all'interno del nostro corpo. Però, possono essere difficili da studiare con approcci ottici perché troppa luce ridurrà la loro attività o addirittura la fermerà del tutto.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Optics Express , un gruppo multidisciplinare di ricercatori ha dimostrato che la luce controllata al singolo fotone, o quantistico, può consentire misurazioni accurate senza interrompere l'attività enzimatica.

"Anche se potrebbero volerci alcuni anni prima che i sensori quantistici pratici siano realizzati, questo tipo di esperimento di dimostrazione del principio è importante, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Ilaria Gianani dell'Università degli Studi Roma Tre in Italia. "Aiuta a individuare le aree in cui possiamo iniziare a costruire conoscenze condivise con altri campi e rivela dove è necessario il progresso tecnologico per fare progressi".

Controllo a singolo fotone

Quando si studiano le biomolecole è importante evitare di utilizzare livelli di luce che potrebbero alterarne le proprietà o il comportamento. Raggiungere questo obiettivo può essere difficile perché i bassi livelli di luce potrebbero non fornire molte informazioni e il rumore può facilmente superare il debole segnale. Oggi, gli enzimi sono studiati con misurazioni eseguite su saggi raccolti dal campione principale per evitare di danneggiare il campione con la luce. Questa procedura non solo richiede tempo, ma impedisce anche l'osservazione diretta degli enzimi in tempo reale.

I ricercatori hanno superato questo problema sviluppando una configurazione che ha permesso loro di controllare la luce in modo estremamente preciso, a livello di un singolo fotone. Ciò ha permesso di utilizzare una bassa illuminazione senza interrompere gli enzimi, con la possibilità di ottenere una migliore sensibilità. La capacità di indirizzare direttamente il campione ha consentito anche il tracciamento dinamico con una risoluzione più elevata.

"La chiave del nostro successo è stata una collaborazione tra fisici quantistici, che sanno come trattare con i fotoni, e biologi, che sanno trattare con i sistemi biologici." ha detto Gianani. "Anche se all'inizio è stato difficile scambiare idee, il team alla fine è cresciuto insieme e ha sviluppato un linguaggio condiviso che ha aiutato il lavoro a progredire senza intoppi. Questa collaborazione non sarebbe stata possibile senza la supervisione del Prof. M. Barbieri, ricercatore principale del Quantum Optics Group."

Monitoraggio dell'attività enzimatica

I ricercatori hanno utilizzato la loro nuova tecnica per monitorare i cambiamenti nella chiralità di una soluzione di saccarosio a causa dell'attività di un enzima noto come invertasi. Tracciare la chiralità, la capacità di una data molecola di ruotare la polarizzazione della luce, fornisce informazioni che possono essere utilizzate per determinare quante molecole di saccarosio sono state processate dagli enzimi. Gli esperimenti hanno mostrato che la luce quantistica può essere utilizzata per sondare le attività enzimatiche in tempo reale senza perturbare il campione.

"Questo lavoro è solo un esempio di cosa potrebbero fare i sensori quantistici, " ha affermato Gianani. "I sensori quantistici potrebbero essere utilizzati per utilizzare in modo ottimale la luce per innumerevoli applicazioni, compreso l'imaging biologico, rilevamento del campo magnetico e persino rilevamento di onde gravitazionali".

I ricercatori affermano che ci sono alcuni aspetti tecnologici da affrontare prima che il loro approccio possa diventare un metodo di riferimento per monitorare le reazioni enzimatiche. Per esempio, le perdite di luce sono un forte fattore limitante, ma sperano che il loro lavoro aiuti a stimolare lo sviluppo tecnologico che potrebbe risolvere questo problema.