Dominik Bucher baut Quantensensoren aus Proteinen
Flavoproteine lassen sich gezielt mit Radiowellen beeinflussen und statt Halbleiter als biochemischer Quantensensor einsetzen.
Ein Forschungsteam, geleitet von der Technischen Universität München (TUM), hat ein neues Wirkprinzip entdeckt und getestet, bei dem sich Proteine mit Radiowellen steuern lassen. Dabei beeinflussen sie einen empfindlichen Quantenzustand namens Spin und machen ihn über Licht sichtbar – ein bedeutender Fortschritt in der biologischen Quantensensorik. In Zukunft könnten solche Erkenntnisse helfen, biochemische Prozesse in Zellen einfach von außen mit Radiowellen zu detektieren und sogar zu lenken.
Bisher kennt man Quantensensorik vor allem aus festen Materialien wie Diamanten mit gezielt eingebauten winzigen Defekten. Die Forschenden übertragen dieses Prinzip nun auf Proteine, also biologische Moleküle, die sich genetisch herstellen und gezielt anpassen lassen. So könnten in Zukunft Quantensensoren direkt in Zellen oder Gewebe eingebaut werden.
Diese Protein-Sensoren eignen sich potenziell besonders für Biosensing, also das Abbilden von lebenden Zellen, Geweben oder Organen. Sie sitzen theoretisch direkt dort, wo gemessen werden soll, und wären damit für Untersuchungen in Organismen geeignet – anders als sperrige Festkörpersensoren.
Dominik Bucher, Professor für Quantensensorik an der TUM School of Natural Sciences, und Letztautor der Studie, erläutert: „Im Gegensatz zu den etablierten festkörperbasierten Systemen können proteinbasierte Ansätze nicht nur als Sensoren dienen, sondern eröffnen perspektivisch auch die Möglichkeit, biologische Prozesse gezielt mit Radiowellen zu steuern – eine äußerst spannende Perspektive.“
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Die Forschenden haben zwei lichtempfindliche Flavoproteine mit blauem Licht bestrahlt. Ausgangspunkt bildete dabei ein Cryptochrom, ein Protein, das in der Biologie als potentieller Magnetfeldsensor bei Vögeln untersucht wird. Die für die Studie verwendeten Proteinproben wurden von der Forschungsgruppe von Erik Schleicher an der Universität Freiburg vorbereitet und zur Verfügung gestellt.
Durch das Licht entstehen in den Proteinen Radikalpaare mit außergewöhnlichen Spineigenschaften: Das sind miteinander gekoppelte Elektronen-Duos, die extrem empfindlich auf Magnetfelder reagieren. Dieses Verhalten kann über die Intensität des Leuchtens dieser Proteine sichtbar gemacht werden.
Anschließend nutzten die Forschenden gezielt Radiowellen und konnten damit das Leuchten der Proteine – und somit die zugrunde liegenden Radikalpaare – verändern. Das zeigt, dass die empfindlichen Quantenzustände in der biologischen Umgebung durch elektromagnetische Felder beeinflusst werden können. Die Proteine agieren als Magnetfeldsensoren und sogar Magnetfeldverteilungen in den Proben sichtbar machen. Das Signal wird dabei rein optisch über Licht ausgelesen – ähnlich wie bei den festköperbasierten Quantensensoren.
Auch wenn es sich um Grundlagenforschung handelt, haben die Erkenntnisse großes Potenzial für zeitnahe biotechnologische Anwendungen. Doktorand Kun Meng erklärt: „Die Möglichkeiten reichen von biologischen Quantensensoren bis hin zur durch Radiowellen gesteuerten Zellaktivität, beispielsweise der ferngesteuerten Genexpression.“ [TUM / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
K. Meng, L. Nie, J. Berger, et al., Optically detected and radio wave-controlled spin chemistry in flavoproteins, Nat. Biotechnol., 29. Mai 2026; DOI: 10.1038/s41587-026-03158-5 - Professur für Quantensensorik (Dominik Bucher), Munich Center for Quantum Science and Technology, München
