C114 뉴스(10월 25일) "양자 센싱이 생물학 연구의 다음 단계에서 변혁적 작용을 일으킬 수 있다는 것은 분명하다." 시카고 대학 화학 교수인 그레그 엔젤은 말한다.
MRI(자기공명영상)는 1938년에 처음 설명된 물리적 현상으로 원자핵이 자기장에 놓일 때 에너지를 흡수하고 다시 방출하는 현상이다. 그러나 이 기초물리학적 발견은 1969년에 이르러서야 가장 널리 알려진 응용이 되었다. MRI(자기공명영상)는 의학과 생물학 연구에서 중요한 진단 도구이다.
21세기에, 연구원들은 개별 이온을 탐지할 수 있을 만큼 정확한 양자 장비를 만들 수 있다. 시카고 대학의 화학 교수인 그레그 엔젤은 그들이 가장 유용한 응용을 찾기 위해 30년을 더 기다리고 싶지 않다고 말한다.
중첩의 이점
양자 기술은 가장 작은 척도에서만 도달할 수 있는 과학적 현상을 이용하는데 예를 들어 시스템은 단일 상태가 아니라 가능한 상태의 조합에 존재한다는 개념이 중첩되어 있다. 양자 시스템의 이 독특한 특성은 매우 취약하다. 중첩 상태의 양자 시스템이 어떤 방식으로든 그 환경과 상호작용을 할 때, 그 중첩 상태는 여러 가지 상태가 아닌 한 가지 상태로 존재하기 때문에 "붕괴"된다.
이 믿을 수 없을 정도로 취약한 성질이 양자 통신과 컴퓨팅 기술의 실현을 어렵게 한다. 원자와 같이 웃는 물체를 충분히 격리시켜 두면 많은 에너지, 자금, 물류를 필요로 한다.
그러나 양자 센싱은 이러한 취약성을 이용하고 이를 장점으로 만든다. 만약 시스템의 중첩이 단일 분자, 단일 원자, 심지어 단일 광자에 의해 방해될 수 있다면 이 시스템은 이러한 단일 입자의 센서가 될 수 있다.
생물학의 많은 중요한 현상들은 단일 이온의 운동이나 단백질 전하의 작은 변화와 같은 단일 원자에서 비롯된다. 그러나 이러한 과정은 현재 매우 어렵거나 측정할 수도 없다. 양자 생체 센싱은 이러한 생물학적 사건들을 전례 없는 감도로 연구할 수 있는 방법을 제공한다.
"양자 측정이 가져올 수 있는 민감도와 생물학이 이러한 스케일에서 사물을 이해하려는 절대적인 욕구 사이의 융합이 이루어짐에 따라 이것은 그야말로 찰떡궁합이다."라고 그렉 엔젤은 그가 2500만 달러를 들여 설립한 생물물리학 및 생물공학의 QuBBE(양자 센싱 및 양자 전이 도전 연구소)의 책임자이기도 하다고 말한다.
양자 생체 센싱의 잠재적인 응용 범위는 세포막과 개별 세포의 세포질 추적 약물, 그리고 수술 중에 종양의 가장자리를 정확하게 나누는 것을 통해서이다. 양자 센서는 단백질 접힘과 세포막의 이온 채널을 통한 입자 움직임, 뉴런을 통한 전기 신호 전송과 같은 중요한 생체 과정까지도 기록할 수 있을 것이다.
"양자 감지를 사용하면 온도, 압력 또는 전자기장과 같은 전통적으로 어려운 양을 측정할 수 있습니다."라고 시카고 대학의 분자 공학 교수인 Peter Maurer가 말했다. Maurer의 연구실은 양자 센서를 사용하여 개별 세포의 온도 변화를 추적할 수 있으며 이는 세포가 다양한 유형의 스트레스에 반응하는 방식을 이해하는 데 중요한다.
센서 조작을 위한 새로운 도구 개발
연구자가 원하는 측정 결과를 얻으려면 양자 생체 센서가 흥미로운 생체 사건이 일어나는 정확한 위치에 있어야 한다. 그러나 양자 기술의 취약성은 종종 생체 과정이 얼어붙은 "스냅샷"으로만 간주될 수 있는 가까운 진공 챔버와 같은 극도로 통제할 수 있는 환경을 필요로 한다. 양자 생체 센서의 잠재력을 충분히 발휘하기 위해 연구원들은 보다 따뜻하고 덜 통제된 환경에서 양자 센서를 조작하여 스냅샷이 아닌 사건의 "영화"를 볼 수 있도록 하는 새로운 방법을 찾고 있다.
개별 분자 또는 입자를 제어하기 위한 일반적인 도구는 고도로 집중된 레이저 빔을 사용하여 대상을 조작하는 광학 핀셋이다. 시카고 대학의 분자 공학 교수인 앨리슨 스콰이어(Allison Squires)는 "그러나 매우 낮은 온도가 아닌 한 마이크로미터보다 작은 것은 포착할 수 없다"며 "이것은 생물학에는 적용되지 않는다. 생물학은 실온에서 발생하며 따라서 이러한 나노 클래스 수준 프로세스는 습하고 지저분한 환경에서 발생합니다. 이러한 프로세스가 어떻게 실행되는지 보려면 이 상황에서 작업할 수 있어야 합니다."
Squires의 연구 연구소에서는 생체 시스템의 양자 센서를 조작하고 제어하기 위한 도구를 개발하고 있는데 양자 센서가 접촉하지 않고 한 곳에 떠 있게 유지하기 위해 전기적 퍼텐셜을 "벽"으로 사용하는 기술을 포함하고 있다. 스쿼스는 나노급 생물물리학 도구의 '무기고'가 새로운 정보를 제공하기를 바란다.
양자 센서는 뉴런 시냅스의 전기장을 측정하거나 세포막을 통과하는 개별 이온을 추적하거나 세포 내의 작은 세포 기관 사이의 단백질 이동을 기록할 수 있다. 이러한 모든 과정은 직접 관찰하기 어렵다. 양자 공학과 생물학이라는 두 분야의 교차 기술은 가능한 한 작은 수준에서 우리의 의학 과학에 대한 이해를 완전히 바꿀 수 있다.
"양자 생체 센싱이 생명과학 분야에서 해상도의 한계를 측정하는 데 박차를 가하고 있다고 생각합니다."라고 Maurer는 말했다." 이 기술은 생체 환경에서 매우 민감한 시스템을 탐지함으로써 귀중한 도구를 생산할 수 있습니다. "
양자 센싱은 세계적으로 증가하는 연구 및 응용 생태계의 혜택을 받고 있으며 11월 4일에 있을 시카고 양자 서밋의 논의에 포함될 것이다.
출처: C114 통신망
