Nature | 工程化蛋白中的量子自旋共振及其多模态传感应用

量子现象驱动的传感技术正在材料科学、物理学和生命科学中展现出巨大潜力。然而，生物体系中的量子传感器长期受限于灵敏度低、稳定性差及仅适用于体外环境。

研究人员此前开发了一类磁敏感荧光蛋白(MagLOV)，显著克服了这些限制。本研究进一步通过定向进化工程化这些蛋白，使其对磁场与射频信号的响应特性可调控。研究人员首次在活细胞中、室温条件下观测到光学检测磁共振(ODMR)信号，并达到单细胞灵敏度。该效应源于蛋白骨架与黄素辅因子之间形成的自旋相关自由基对机制。基于此，研究人员实现了多种应用，包括：磁共振成像式空间定位、微环境感知、多信号复用及锁相检测，显著缓解散射与自发荧光干扰。整体而言，该工作构建了一套基于量子力学原理的工程化生物传感新体系。

荧光成像技术极大推动了定量生物学发展，而量子传感技术则依赖电子或核自旋动力学，具有高灵敏度与环境响应特性。

此前量子生物传感主要依赖非生物探针或体外体系，难以应用于活细胞环境。

研究人员开发的MagLOV磁敏荧光蛋白来源于LOV2结构域，可在磁场作用下产生显著荧光变化，并可通过基因工程在细胞中表达，为量子传感提供了生物可编程平台。

方法

研究人员：

• 通过定向进化构建MagLOV蛋白突变体库；
• 在活细胞中进行磁场调制荧光与射频驱动实验；
• 结合光谱分析验证自由基对机制；
• 构建磁场梯度与光学检测系统实现空间成像；
• 引入顺磁对比剂测试微环境感知能力。

结果

活细胞中实现ODMR量子共振

研究人员在表达MagLOV的细菌细胞中观察到明显磁场效应（MFE）与ODMR信号：

• 磁场开启时荧光强度下降约50%；
• 射频共振驱动时荧光强度显著恢复；
• 单细胞层面仍可分辨共振信号。

该现象符合自由基对自旋动力学理论。

图1 ：MagLOV结构、自旋共振示意及单细胞ODMR信号。

通过蛋白工程调控量子响应特性

研究人员优化出多种MagLOV变体：

• 提高磁场响应幅度；
• 加快响应动力学速度；
• 改变ODMR对比度。

不同变体在动态特征上呈现明显差异，为信号编码提供基础。

图2 ：不同MagLOV变体的磁场响应与ODMR动力学对比。

自由基对与黄素辅因子机制验证

光谱分析表明：

• 磁调制荧光信号与黄素单核苷酸（FMN）发射谱完全匹配；
• 激发谱呈现结合态黄素的振动精细结构；
• 光照后形成稳定黄素自由基。

研究人员提出完整光化学反应模型解释磁敏现象。

图3 ：光谱特征与自由基对反应机制示意。

多信号复用与锁相检测

基于不同变体的响应时间常数差异，研究人员实现：

• 混合细胞群体的磁响应分类；
• 在强背景噪声条件下区分目标蛋白信号；
• 显著提升弱荧光样本检测能力。

该策略对抗散射、自发荧光具有天然优势。

图4 ：多变体复用分类与锁相检测示意。

基于ODMR的空间成像定位

研究人员构建光学检测磁共振成像系统：

• 利用磁场梯度使共振频率与空间位置对应；
• 成功在三维样本中定位多个细胞区域；
• 定位精度达到亚毫米级。

该方法不依赖光学反演，抗组织散射能力强。

图5 ：ODMR空间定位系统与实验结果。

微环境量子感知能力

在溶液中加入顺磁离子对比剂后：

• MagLOV磁响应强度随离子浓度显著下降；
• 表现出典型自旋弛豫特征。

表明该系统可作为细胞内局部磁噪声与自由基环境的量子探针。

图6 ：顺磁离子浓度对磁场响应衰减影响。

讨论

研究人员成功将量子自旋动力学引入可工程化蛋白体系，标志着量子生物传感从自然现象走向可设计工具。

与以往系统相比，MagLOV具备：

• 可遗传编码
• 高稳定性
• 强磁场响应
• 活细胞适用性

该平台实现了多项突破性应用：

• 多模态荧光信号复用
• 弱信号锁相放大
• 三维量子成像
• 细胞微环境感知

未来研究可进一步优化蛋白亮度、光稳定性、频谱特性与量子响应效率，并有望发展为磁控生物执行器，实现磁场调控细胞功能。

整理 | DrugOne团队

参考资料

Abrahams, G., Štuhec, A., Spreng, V. et al. Quantum spin resonance in engineered proteins for multimodal sensing. Nature (2026).

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09971-3

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