Nature重磅：量子生物學(xué)重大突破

　　來(lái)源：一直奇怪

　　2026 年 3 月 18 日，斯坦福大學(xué)的研究人員在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Nature 上發(fā)表了題為：Magnetic resonance control of spin-correlated radical pair dynamics in vivo 的研究論文。

　　該研究首次在活體多細(xì)胞動(dòng)物中利用磁共振技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)控自旋相關(guān)自由基對(duì)（SCRP）的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，成功架起量子物理學(xué)與生物學(xué)之間的橋梁，為生物分子過(guò)程的遠(yuǎn)程、非侵入式操控開(kāi)辟了全新路徑。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們一直好奇微弱磁場(chǎng)如何影響生命系統(tǒng)，候鳥(niǎo)遷徙時(shí)如何借助地球磁場(chǎng)導(dǎo)航數(shù)千公里，這些自然現(xiàn)象背后，始終隱藏著量子力學(xué)的神秘密碼。自旋相關(guān)自由基對(duì)（SCRP）作為一類特殊的分子實(shí)體，由兩個(gè)帶有未配對(duì)電子的自由基組成，其電子自旋狀態(tài)存在量子相干疊加特性，使得這類自由基對(duì)的反應(yīng)路徑對(duì)外部磁場(chǎng)具有極高的敏感性。

　　此前，磁場(chǎng)對(duì)SCRP的調(diào)控研究?jī)H局限于體外實(shí)驗(yàn)或分離生物分子層面，如何在復(fù)雜的活體多細(xì)胞生物體內(nèi)構(gòu)建工程化的量子敏感系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，一直是困擾該領(lǐng)域科學(xué)家的核心難題。

　　本次研究由斯坦福大學(xué)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)合作完成，研究人員來(lái)自物理系、化學(xué)系、電氣工程系、生物系、結(jié)構(gòu)生物學(xué)系等多個(gè)領(lǐng)域，還聯(lián)合了SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室及Calico生命科學(xué)公司的科研人員，形成了跨學(xué)科的研究合力。研究團(tuán)隊(duì)以秀麗隱桿線蟲(chóng)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)基因工程手段，構(gòu)建了一套基于紅色熒光蛋白（RFP）與黃素輔因子的工程化系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了活體動(dòng)物內(nèi)SCRP動(dòng)力學(xué)的磁共振調(diào)控。

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心的是構(gòu)建具有磁場(chǎng)響應(yīng)特性的生物傳感器。研究團(tuán)隊(duì)選擇紅色熒光蛋白（尤其是mScarlet型號(hào)）作為報(bào)告分子，這類蛋白是生物學(xué)研究中常用的“明星工具”，其發(fā)光強(qiáng)度可直接反映分子反應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化；同時(shí)選用細(xì)胞內(nèi)天然存在的黃素輔因子作為配對(duì)分子，黃素的未配對(duì)電子可與紅色熒光蛋白中的特定氨基酸殘基形成自旋相關(guān)自由基對(duì)。當(dāng)受到光照激發(fā)時(shí)，這兩種分子會(huì)形成量子糾纏的“自由基對(duì)雙胞胎”，其自旋狀態(tài)的變化會(huì)直接影響紅色熒光蛋白的發(fā)光效率，為研究人員提供了可視化的觀測(cè)指標(biāo)。

　　利用射頻磁場(chǎng)對(duì)熒光蛋白:黃素系統(tǒng)中紅色熒光蛋白的熒光進(jìn)行調(diào)控

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)活體動(dòng)物內(nèi)SCRP的精準(zhǔn)調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套精密的磁共振實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置由兩組亥姆霍茲線圈和一個(gè)環(huán)形諧振器組成，前者用于產(chǎn)生穩(wěn)定的靜態(tài)磁場(chǎng)，后者則產(chǎn)生頻率約450 MHz的射頻磁場(chǎng)，兩者協(xié)同作用，構(gòu)成了一套可精準(zhǔn)調(diào)控的量子“遙控器”。研究人員通過(guò)寬場(chǎng)熒光成像技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)秀麗隱桿線蟲(chóng)體內(nèi)紅色熒光蛋白的發(fā)光強(qiáng)度變化，以此追蹤SCRP的量子狀態(tài)和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了令人振奮的突破：當(dāng)施加合適強(qiáng)度的靜態(tài)磁場(chǎng)時(shí)，線蟲(chóng)體內(nèi)紅色熒光蛋白的發(fā)光強(qiáng)度下降了約6%；而當(dāng)在靜態(tài)磁場(chǎng)基礎(chǔ)上疊加特定頻率的射頻磁場(chǎng)時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度又會(huì)顯著回升，且這種變化精準(zhǔn)發(fā)生在電子自旋共振頻率附近，完全符合量子理論預(yù)測(cè)。更重要的是，研究人員檢測(cè)到，這些自由基對(duì)的量子相干時(shí)間超過(guò)4納秒——在室溫、潮濕且復(fù)雜的生物體內(nèi)，量子相干現(xiàn)象曾被認(rèn)為過(guò)于脆弱而無(wú)法持續(xù)，這一發(fā)現(xiàn)徹底打破了傳統(tǒng)認(rèn)知，證明了量子效應(yīng)在活體生物系統(tǒng)中不僅可以存在，還能被精準(zhǔn)控制和利用。

　　研究中還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有重要意義的現(xiàn)象：磁場(chǎng)對(duì)SCRP的調(diào)控效果在不同組織中存在差異，其中在腸道組織中觀察到的效應(yīng)最強(qiáng)，而在神經(jīng)元組織中相對(duì)較弱。這一差異可能與不同組織中黃素輔因子的濃度不同有關(guān)，也反映了不同組織微環(huán)境的氧化還原狀態(tài)對(duì)量子過(guò)程的影響，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)組織特異性的量子調(diào)控提供了重要線索。

　　該研究不僅驗(yàn)證了量子效應(yīng)在復(fù)雜生物體內(nèi)的可操控性，更搭建起量子技術(shù)與生命系統(tǒng)之間的橋梁，為后續(xù)開(kāi)發(fā)變革性的生物醫(yī)學(xué)技術(shù)提供了全新思路。