Proteine gezielt mit Radiowellen beeinflussen

In der biologischen Quantensensorik wurde ein neues Wirkprinzip identifiziert. Ein Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) steuerte Proteine mittels Radiowellen. Dabei beeinflussen die elektromagnetischen Wellen einen sensitiven Quantenzustand, den sogenannten Spin. Dieser Zustand wird anschließend über Lichtsignale optisch ausgelesen. Künftig könnten sich biochemische Zellprozesse so von außen detektieren und gezielt lenken lassen.

Genetisch adjustierbare Biosensoren statt Festkörper-Systeme

Bisher basierte die Quantensensorik primär auf festen Materialien wie Diamanten mit gezielten Gitterdefekten. Die Forschenden übertrug dieses Prinzip nun erfolgreich auf biologische Makromoleküle. Proteine lassen sich genetisch herstellen und präzise anpassen. Dadurch können Quantensensoren künftig direkt in Zellen oder Gewebe integriert werden. Diese Protein-Sensoren eignen sich ideal für das Biosensing in lebenden Organismen. Im Gegensatz zu sperrigen Festkörper-Sensoren messen sie direkt am Zielort. Professor Dominik Bucher 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.“

Photoaktivierung und Erzeugung sensitiver Radikalpaare

Für die Experimente bestrahlte das Team zwei lichtempfindliche Flavoproteine mit blauem Licht. Die Basis bildete ein Cryptochrom, das biologisch als potenzieller Magnetfeldsensor bei Vögeln gilt. Die Proteinproben stammten aus der Arbeitsgruppe von Prof. Erik Schleicher der Universität Freiburg. Die Bestrahlung erzeugt in den Proteinen Radikalpaare mit spezifischen Spineigenschaften. Diese gekoppelten Elektronen-Duos reagieren extrem sensitiv auf Magnetfelder. Sichtbar wird dieses Verhalten über die Lumineszenzintensität der Proteine.

Optisches Auslesen und biotechnologische Applikationen

Mittels Radiowellen veränderten die Forschenden das Leuchten der Proteine und somit die Radikalpaare. Dies belegt, dass elektromagnetische Felder die Quantenzustände in biologischer Umgebung beeinflussen. Die Proteine fungieren als Magnetfeldsensoren und visualisieren lokale Magnetfeldverteilungen. Das Signal wird rein optisch ausgelesen, analog zu festkörperbasierten Quantensensoren. Trotz des Charakters als Grundlagenforschung bieten die Daten großes Potenzial für die Biotechnologie. Kun Meng erklärt: „Die Möglichkeiten reichen von biologischen Quantensensoren bis hin zur durch Radiowellen gesteuerten Zellaktivität, beispielsweise der ferngesteuerten Genexpression.“

Quelle

Technische Universität München (06/2026)