Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) hat ein neuartiges Wirkprinzip in der biologischen Quantensensorik entdeckt. Diese Erkenntnisse, die in der renommierten Fachzeitschrift Nature Biotechnology veröffentlicht wurden, zeigen, dass Proteine gezielt mit Radiowellen gesteuert werden können. Dadurch lässt sich ein empfindlicher Quantenzustand, der als Spin bezeichnet wird, beeinflussen, und zwar auf eine Art und Weise, die durch Licht sichtbar gemacht wird. Prof. Dominik Bucher, ein führender Experte für Quantensensorik an der TUM, hebt hervor, dass dies neue Möglichkeiten eröffnet, biochemische Prozesse in Zellen mit Radiowellen zu detektieren und zu steuern.
Bisherige Quantensensorik konzentrierte sich hauptsächlich auf feste Materialien wie Diamanten mit Defekten. Die neuen Ansätze des Forschungsteams integrieren biologisch herstellbare und anpassbare Proteine, die direkt in Zellen oder Geweben eingesetzt werden können. Diese sogenannten Protein-Sensoren könnten eine präzise Abbildung lebender Zellen, Gewebe oder Organe ermöglichen, was einen bedeutenden Vorteil gegenüber herkömmlichen, sperrigen Festkörper-Sensoren darstellt.
Innovative Ansätze in der Sensorik
Die Forschenden setzten lichtempfindliche Flavoproteine ein. Diese wurden mit blauem Licht bestrahlt, was eine Reaktion des Proteins auslöste. Ausgangspunkt waren Cryptochrome, die als potenzielle Magnetfeldsensoren bei Vögeln bekannt sind. Durch die Lichtbestrahlung entstehen Radikalpaare in den Proteinen, die empfindlich auf umgebende Magnetfelder reagieren. Radiowellen beeinflussen das Leuchten der Proteine sowie die Radikalpaare und ermöglichen so eine präzise Steuerung der chemischen Prozesse. Das Signal wird optisch über Licht ausgelesen, ähnlich wie bei festkörperbasierten Quantensensoren.
Diese Entwicklungen haben weitreichende biotechnologische Anwendungen im Visier, einschließlich der Idee, Zellaktivitäten aus der Ferne zu steuern. Im Rahmen dieser Forschung zieht das Team des Exzellenzclusters Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) Unterstützung von den Universitäten Freiburg und Marburg in Betracht.
Der Kontext der Quantensensorik
Zusätzlich zur Forschung an der TUM ist das Feld der Quantensensorik auch im Rahmen der Arbeiten des Fraunhofer IAF in Freiburg aktiv. Dort entwickelt ein weiteres Forschungsteam Quantensensoren basierend auf Elektronen. Diese Sensoren nutzen den Spin von Elektronen, um magnetische Felder zu messen. Bekannte Materialien in der Quantenmagnetometrie sind Diamanten, insbesondere Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren), deren Stabilität bei Raumtemperatur und lange Kohärenzzeiten ideale Voraussetzungen zur Anwendung in der Medizintechnik bieten.
Ein Beispiel für den potenziellen Nutzen von Quantensensoren ist die verbesserte Krebsdiagnostik. In diesem Zusammenhang wird der Einsatz von Nanodiamanten in der Magnetresonanztomographie (MRT) betrachtet, wobei die Empfindlichkeit durch neue Technologien erheblich gesteigert werden könnte. Quantensensoren könnten zudem bei der Erkennung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen nützliche Dienste leisten, indem sie kleinste Magnetfelder messen.
Insgesamt eröffnen die Entwicklungen in der Quantensensorik, sowohl an der TUM als auch am Fraunhofer IAF, neue Möglichkeiten in der Wissenschaft und Industrie. Mit einem Anstieg an Forschungen und Investitionen in diesem Bereich sind bedeutende Fortschritte in der Mess- und Analysetechnologie in den nächsten Jahren zu erwarten. Diese Fortschritte könnten weitreichende Anwendungen in der Biomedizin und darüber hinaus haben.
Für detailliertere Informationen können die Artikel von TUM, idw-online und Fraunhofer konsultiert werden.