Ученые давно мечтают в реальном времени наблюдать, как работают крошечные биохимические реакции внутри клетки — те самые, что отвечают за энергию, передачу сигналов и другие ключевые процессы. Пока что лучший метод для изучения электрической активности нейронов — это патч-кламп (микроэлектродная фиксация). Но клетка — это не только токи. Есть еще локальные изменения температуры, магнитные поля, электромагнитные шумы от свободных радикалов. Измерить все это одновременно — огромная проблема.

Квантовые сенсоры, особенно на основе азото-замещенных вакансий в алмазах (NV-центры), могут улавливать несколько физических величин с рекордной точностью. Но чтобы засунуть такой сенсор в живую клетку и точно им управлять, нужна ювелирная точность. Клетка — влажная, подвижная и сложная среда, и просто так квантовый датчик там не разместишь.

NV-центр (азото-замещенная вакансия в алмазе) — это дефект кристаллической решетки алмаза, где один атом углерода отсутствует (вакансия), а рядом находится атом азота. Этот дефект обладает уникальными квантовыми свойствами: он чувствителен к магнитным полям, температуре и электрическим полям, при этом сохраняет стабильность даже в сложных средах, например, внутри клетки.

В новом исследовании, опубликованном в National Science Review, ученые создали аналог патч-клампа, но для многопараметрических измерений — «квантовый патч-кламп». Они прикрепили наноалмаз с NV-центром к стеклянному наноэлектроду, что позволило двигать его внутри клетки с наноточностью и одновременно измерять температуру, магнитные поля и уровень свободных радикалов.

Что удалось обнаружить

• Температура внутри клетки неоднородна — в разных участках она может отличаться.
• Уровень свободных радикалов меняется со сложной динамикой, включая квазипериодические колебания.
• Эти колебания могут отражать скрытые биохимические процессы, о которых раньше не знали.

Этот метод открывает путь к изучению клетки с беспрецедентным разрешением — и в пространстве, и во времени.

Открывается несколько перспектив:

• Ранняя диагностика болезней — если колебания свободных радикалов или температуры меняются при патологиях, можно обнаруживать их до появления симптомов.
• Исследование старения — окислительный стресс и митохондриальная дисфункция связаны со старением, а этот метод позволяет изучать их в реальном времени.
• Разработка лекарств — можно точнее оценивать, как препараты влияют на клеточные процессы.
• Биоэнергетика — поможет понять, как клетка распределяет энергию, что важно для лечения метаболических нарушений.

Главный недостаток работы — метод пока слишком сложен для массового применения. Для работы нужны:

• Высокочувствительная квантовая система.
• Прецизионное оборудование для позиционирования.
• Сложный анализ данных.

Пока это лабораторная установка, а не рутинный инструмент. Кроме того, клетка может реагировать на сам зонд, искажая результаты.

Ранее ученые выяснили, как раковые клетки гибнут после лучевой терапии.