Как закрутить протеины в нужную сторону

Плазмоны золотой поверхности усиливают хиральность бычьего сывороточного альбумина BSA (розовая нить). Иллюстрация Physorg

Один из интернет-гигантов компания Google в конце прошлого года объявила, что ей удалось достичь квантового превосходства – Quantum Supremacy. Это означает, что квантовой системе удалось осуществить расчеты, недоступные даже самым мощным суперкомпьютерам. Правда, речь идет о системе из 54 кубитов, что очень мало, поскольку для коммерчески приемлемых квантовых компьютеров необходимы тысячи…

В середине прошлого века были созданы когерентные источники света – лазеры. Немного упрощая, можно сказать, что в лазерах фотоны обретают единство свойств. Эти источники позволили доказать наличие плазмонов на поверхности серебра и золота. Плазмоны – это результат взаимодействия света и материи, то есть фотонов и электронов металлической «плазмы».

Квантовая физика постулирует когерентность, или суперпозицию, вероятностей различных квантовых состояний, а также связи (энтенглмента) объектов, разнесенных в пространстве. Недавно был экспериментально показан энтенглмент двух групп по 2000 атомов. Это рекорд на сегодня.

Проблема с квантовыми состояниями в том, что они очень быстро разрушаются, поэтому каждая секунда их когерентности на вес золота. Преимущество кубитов, впрочем, оборачивается их недостатком в виде взаимодействия друг с другом. В результате когерентность быстро разрушается. Кубиты не должны подвергаться вибрациям и пока успешно функционируют при сверхнизких температурах. Лишь в 2016 году физикам из Йельского университета удалось решить проблему исправления возникающих ошибок. Вероятно, благодаря именно этому достижению и стало возможно создать Sycamore – «тутовую ягоду» из 54 кубитов. Эта конструкция позволила в течение нескольких минут справиться с задачей, с которой суперкомпьютер не справился бы и за 10 тысяч лет!

В университете голландского города Дельфт предложено иное решение, связанное с наращиванием числа кубитов. Речь идет о так называемой азотной вакансии (NV – Nitrogen Vacancy), возникающей при замене одного из углеродов кристаллической решетки алмаза азотом. Атом последнего больше углеродного, поэтому азот не умещается в кристаллической решетке и встает как бы в стороне. На месте же смещенного углерода остается электрон, который взаимодействует с одним из углеродных атомов. В итоге генерируется суперпозиция – наложение квантовых состояний. Голландцы сумели объединить семь кубитов, связанных между собой и хранящих информацию в течение 75 секунд! Авторы статьи «10-кубитовый спин-регистратор с квантовой памятью до одной минуты» называют это время «протекцией произвольного состояния кубита». Их статья опубликована в журналах Nature и Physical Review X.

Достаточно давно уже установлено, что аминокислоты в белках закручивают свет влево, а сахара в нуклеиновых кислотах вправо. Это свойство называется хиральностью (от греч. хирос – рука; левую перчатку не наденешь на правую руку, хотя вроде бы перчатки вполне идентичны).

Сотрудники университетов Райса в Хьюстоне и Станфордского описали взаимодействие белка с наностерженьками золота, порождающее хиральность. В качестве протеина был взят альбумин сыворотки крови (BSA – Bovine Serum Albumin), молекулы которого при взаимодействии с частицами благородного металла рассеивают поляризованный свет. Хиральность в данном случае определяется как поворот плоскости такого света влево или вправо. Хиральность альбумина генерировалась под действием плазмонов (PCCD – Plasmon-Coupled Chiral Dichroism), с описания которых мы начали статью.

Если два стерженька длиной 100 нанометров располагались перпендикулярно или параллельно друг другу, то они были ахиральны, то есть не проявляли «ручности». Плазмоны, представляющие собой резонансные электронные волны, порожденные падающим светом, при этом выполняют роль антенн для усиления дихроизма молекул белка, осевших на поверхности золота. Это можно использовать в молекулярной фармакологии, где хиральная чистота протеинов крайне важна при разработке лекарств.