量子蛋白：生物學下一場革命？

如果能夠看見細胞內部正在發生的一切，人類對生命的理解或許會完全不同。

神經元何時放電、蛋白質如何相互作用、細胞何時進入壓力狀態——這些關鍵過程往往發生在極其微小、極其短暫的尺度上。

幾十年來，熒光蛋白讓科學家第一次“點亮”了細胞內部，但很多最重要的信號仍然隱藏在黑暗中。

現在，一群物理學家和生物學家正在嘗試一種看似不可思議的辦法：把普通的熒光蛋白升級為量子傳感器。

2026年3月3日，《自然》（

Nature

如果這一想法真的成熟，它不僅可能改變細胞成像技術，甚至可能重塑我們觀察生命的方式。

但問題是：蛋白質真的能成為量子技術的核心工具嗎？

本文18小節，6500多字：

1. 熒光蛋白的“量子升級”

2. 生物量子傳感的興起

3. 第二次量子革命

4. 鉆石量子傳感器的成功

5. 生物學應用的難題

6. 鉆石之外的新選擇

7. 量子化的熒光蛋白

8. 鎖定一種現成蛋白

9. 曾被“討厭”的量子狀態

10. 在活細胞中實現量子傳感

11. 仍待突破的難題

12. 神經信號探測的新希望

13. 重塑核磁成像

14. 一次觀察多種蛋白

15. 蛋白版“核磁共振”

16. 從原理驗證到真實設備

17. “磁遺傳學”的新可能

18. 下一代量子傳感器？

2026年3月3日，《自然》（Nature）關于量子蛋白研究最新進展的報道截圖。

幾十年來，一種來自晶水母的天然分子一直照亮著現代生物學。借助這種會發出綠色熒光的蛋白質，科學家能夠在細胞內部“點燈”，實時觀察生命活動的細節。

如今，這種經典工具正迎來一次出人意料的升級：研究人員開始利用它們的量子特性，讓這些蛋白質具備類似量子計算基本單元的能力。一些科學家認為，這可能開啟一種全新的研究工具——“量子蛋白”。

瓊斯在報道中指出，如果這一思路成熟，科學家或許能夠以前所未有的方式觀察細胞內部的物理與化學過程。

晶水母。（圖源：Jim G from Silicon Valley, CA, USA, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons）

1.

熒光蛋白的“量子升級”

在自然界中，晶水母之所以會發出微弱的綠色光芒，是因為體內含有一種綠色熒光蛋白（Green Fluorescent Protein，GFP）。幾十年來，這類分子已經成為生物實驗室最常用的工具之一。

研究人員可以利用熒光蛋白：

• 追蹤細胞內蛋白質的位置

• 觀察蛋白質活性變化

• 檢測細胞內部環境

• 驗證藥物是否命中目標

但現在，一些物理學家和生物學家開始嘗試將它們轉變為量子比特。

美國芝加哥大學的量子工程師彼得·毛雷爾（Peter Maurer）表示，實驗室常用的熒光蛋白標簽“實際上可以被改造成量子比特”。這一設想聽起來頗具科幻色彩，但其背后的物理機制并非全新概念，而且在原理上已經被證明可行。

一旦引入量子效應，這些蛋白質傳感器可能具備前所未有的靈敏度。

例如：

• 探測神經元放電產生的微弱磁場

• 檢測細胞內離子流動

• 識別極微量的自由基（這些分子可能預示細胞壓力或癌癥早期信號）

更重要的是，研究人員還可以通過外部手段遠程開啟或關閉這些量子傳感器，這使它們在新型成像技術甚至醫療治療中具有潛在價值。

美國加州大學圣迭戈分校的生物傳感器專家張津（Jin Zhang，音）表示，科學家長期以來一直受限于熒光標記的靈敏度，而量子版本可能帶來完全不同的可能性。

她認為，這些技術未來可能開啟許多尚未被想象到的應用。

2.

生物量子傳感的興起

“量子蛋白”只是更大趨勢的一部分——量子傳感技術正迅速進入生物學領域。

盡管蛋白質量子傳感器仍處于早期階段，但研究人員認為技術障礙并不多。某些可用蛋白已經是現成材料，而操控這些系統所需的設備在實驗室中也相當常見。

美國加州大學圣巴巴拉分校的物理學家阿尼婭·賈伊奇（Ania Jayich）表示，過去很多人認為這種跨學科研究幾乎不可能實現，但現在情況已經發生變化。

“那種‘這大概永遠行不通’的想法已經不成立了。”

3.

第二次量子革命

這一研究浪潮的背景，是物理學界正在經歷的“”。

在20世紀初的第一次量子革命中，科學家發現了量子世界的一系列奇特性質，例如：

• 疊加態：一個系統可以同時處于多個狀態

• 量子糾纏：不同粒子的量子狀態可以神秘地相互關聯

而在當下的中，研究人員開始主動操控單個量子性質，從而開發新的技術應用，包括：

• 量子計算

• 量子通信

• 量子傳感

量子計算依賴于穩定、不受環境干擾的量子比特；而量子傳感恰恰相反——它利用量子比特對外界環境的敏感性，通過這些變化來進行精確測量。

例如：

• 磁共振成像通過測量人體氫原子核的自旋來生成圖像

• 超導量子干涉儀可以檢測腦磁信號，用于腦磁圖掃描

4.

鉆石量子傳感器的成功

目前應用最廣泛的量子傳感器之一，是所謂的“氮—空位鉆石中心”。

這種結構出現在鉆石晶體中：一個碳原子被氮原子替代，同時鄰近位置缺失一個碳原子，形成一個空位。

在這一結構中：

• 電子自旋可以被微波和激光操控

• 磁場、溫度等環境變化會改變電子發出的光信號

因此，它可以作為極其靈敏的量子傳感器。

與許多需要極低溫運行的量子系統不同，這種鉆石傳感器在室溫下也能穩定工作。目前，研究人員已經使用鉆石薄片或納米晶體開發出多種設備，例如用于檢測半導體性能。

5.

生物學應用的難題

盡管鉆石量子傳感器在物理學中取得成功，但進入生物體系卻困難重重。

原因很簡單：生命系統“溫暖而混亂”。

賈伊奇指出，細胞內部充滿復雜分子與化學反應，這對精密的量子測量來說是一個挑戰。

不過，這一領域正在迅速升溫。

例如：

• 美國芝加哥大學的芝加哥量子研究所已經將生物量子傳感列為重點方向

• 美國國家科學基金會在2023年增加了相關資助

• 英國在2024年成立了量子生物醫學傳感研究中心

倫敦大學學院的物理學家約翰·莫頓（John Morton）認為，現在正是量子技術從實驗室走向實際應用的關鍵時期。

6.

鉆石之外的新選擇

研究人員已經在探索多種應用，例如：

• 利用鉆石量子傳感器實現納米尺度磁共振成像

• 在手術中更精確地追蹤磁性示蹤劑

• 開發靈敏度比傳統方法高10萬倍的實驗性艾滋病毒檢測技術

與此同時，許多團隊也在嘗試把鉆石納米傳感器直接放入細胞內部。

但這種方法仍有明顯局限。

最主要的問題是：尺寸和定位。

與蛋白質相比，鉆石傳感器通常大約大十倍，而且難以精確放置到細胞內部的特定位置。

相比之下，熒光蛋白具有天然優勢：

• 尺寸極小

• 可以通過基因工程在細胞內精準生成

• 能夠緊貼研究目標分子

賈伊奇表示，這種定位能力帶來的優勢是巨大的。

也正因為如此，越來越多科學家開始設想：如果蛋白質本身就能成為量子傳感器，會發生什么？

——這正是“量子蛋白”概念誕生的背景。

7.

量子化的熒光蛋白

大約十年前，芝加哥量子研究所主任大衛·奧施洛姆（David Awschalom）開始思考一個問題：是否能找到一種分子，本身就可以充當量子比特？

如果這種量子比特能夠通過化學合成穩定制造，而不是像傳統方式那樣從鉆石或半導體材料中“雕刻”出來，那么量子技術的實現方式將發生巨大變化。

2020年，奧施洛姆團隊在《科學》（Science）發表研究，證明一種合成有機金屬分子能夠表現出量子比特行為。隨后，他們又在其他分子體系中重復了這一成果。

這一突破讓奧施洛姆開始把目光投向生物體系。他與毛雷爾合作，尋找能夠在細胞環境中工作的量子分子。

奧施洛姆表示，這本質上是同一個想法，只不過對象換成了天然就適合進入細胞的生物分子。

利用綠色熒光蛋白轉化的大腸桿菌。（圖源：DanceWithNyanko, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons）

8.

鎖定一種現成蛋白

研究團隊最終把目標鎖定在一種常見實驗工具上：增強型黃色熒光蛋白（Enhanced Yellow Fluorescent Protein，EYFP）。

這種蛋白是生物學家改造得到的熒光分子，具有明亮的黃色發光特性，在實驗室中幾乎可以直接購買使用。

從物理學角度看，奧施洛姆指出，這種分子的電子能級結構與許多現有量子比特系統非常相似。

熒光蛋白的發光機制本身就源于量子過程：當激光照射時，電子被激發到高能態，隨后回落到穩定能級并釋放光子，從而產生熒光。

在生物實驗中，研究人員通常會把熒光蛋白的基因序列插入到目標蛋白編碼旁邊。這樣，當細胞表達目標蛋白時，熒光標簽也會同時表達。只要用激光照射樣品，目標蛋白的位置就會像圣誕樹燈飾一樣亮起。

隨著時間推移，科學家已經開發出多種不同顏色的熒光蛋白。同時，蛋白質工程師也在不斷開發新的傳感器版本，使其能夠對細胞內部環境變化作出響應，例如：

• 酸堿度（pH）變化

• 細胞內機械力

• 鈣離子濃度（細胞信號傳導關鍵因素）

• 激酶酶活性（控制蛋白質磷酸化開關）

然而，傳統熒光蛋白仍有一個重要局限：它們無法探測磁場。

9.

曾被“討厭”的量子狀態

熒光蛋白在發光過程中會出現一種特殊現象。

在極少數情況下，被激發的電子不會立刻回到基態，而是進入一種亞穩態的“三重態”（triplet state）。這種狀態具有三種可能的自旋配置，因此得名。

當電子進入這一狀態時，熒光會短暫變暗或閃爍。

長期以來，生物學家一直把這種現象視為缺點，因為它會讓熒光信號變得不穩定。

毛雷爾說，研究人員過去都很討厭這種現象，因為它會讓熒光標簽不夠明亮。但對量子工程師來說，這恰恰是機會。

原因在于：三重態可以形成自旋的相干疊加態。

而這種疊加態正是量子傳感器所需要的關鍵條件。事實上，廣泛使用的氮—空位鉆石量子傳感器同樣依賴三重態機制。

換句話說，曾經被當作缺陷的物理現象，可能正是讓蛋白質成為量子傳感器的關鍵。

10.

在活細胞中實現量子傳感

在經歷一些早期失敗之后，奧施洛姆團隊發現，讓增強型黃色熒光蛋白進入量子疊加態其實并不復雜。

研究人員只需要利用：

• 激光

• 微波

就可以操控蛋白中的電子自旋狀態。

奧施洛姆回憶說，當團隊真正理解這些量子能級結構之后，事情進展得非常快。

“幾乎是第二天，它就成功運行了。”

實驗結果顯示，這種蛋白質的熒光強度會受到磁場影響，變化幅度約為30%。

更重要的是，研究團隊證明：

這種蛋白質量子傳感器可以在室溫下的活細菌細胞中工作。

這意味著，量子傳感技術第一次有可能真正嵌入活體細胞內部。

11.

仍待突破的難題

盡管概念已經得到驗證，但“量子蛋白”仍面臨不少挑戰。

首先是穩定性問題。

熒光蛋白普遍比較脆弱，在持續激光照射下會逐漸降解。毛雷爾認為，這個問題有望通過蛋白質工程手段改善。

其次是靈敏度提升。

過去，生物學家在設計熒光蛋白時通常會盡量減少三重態停留時間，以避免閃爍。但現在，研究方向正好相反。

毛雷爾團隊計劃：

• 設計新的蛋白變體

• 篩選那些在三重態停留時間更長的版本

這樣可以增強量子效應，從而提高傳感能力。

研究人員還將測試這些蛋白是否能夠像鉆石量子傳感器一樣，可靠地檢測其他環境變化，例如：

• 酸堿度（pH）

• 溫度

12.

神經信號探測的新希望

對生物學家來說，最令人興奮的潛在應用之一，是直接測量細胞產生的電磁信號。

美國加州大學圣迭戈分校的生物工程師內森·謝納（Nathan Shaner）長期從事熒光蛋白研究。他指出，目前生物學界一直缺乏一種穩定而靈敏的工具來探測神經元動作電位。

當神經元放電時，細胞膜電壓會發生極其微小的變化。

這種變化既微弱又發生在極小尺度上，因此極難測量。

如果量子熒光蛋白能夠直接感知相關的電磁信號，那么科學家可能第一次能夠以全新的方式觀察神經系統活動。

13.

重塑核磁成像

毛雷爾的團隊并不是唯一關注蛋白質量子特性的研究者。

在美國舊金山陳—扎克伯格生物中心的物理學家安德魯·約克（Andrew York）發現，當紅色或綠色熒光蛋白攜帶一種小分子延伸結構——黃素（flavin）時，它們會對磁場產生輕微響應。

更重要的是，這種效應不僅在實驗條件下存在，而且已經在線蟲和細菌等活體生物中被觀察到，并且可以在室溫條件下工作。

牛津大學的工程師哈里森·斯蒂爾（Harrison Steel）隨后與約克團隊合作，進一步推進這一思路。

他們發現，這一系統的量子機制與此前的熒光蛋白量子方案略有不同：它同樣涉及三重態（triplet state），但關鍵還包括分子內部兩個電子之間的量子糾纏（entanglement）。

總體原理依然相同：

磁場會改變電子自旋狀態，從而改變熒光強度。

這意味著，蛋白質本身就可以成為量子傳感器。

為了尋找最佳候選分子，研究團隊構建了約3000種不同的蛋白變體，并篩選出磁場響應最強的樣本，最終選定4種蛋白進行深入研究。

14.

一次觀察多種蛋白

研究團隊還發現，這些蛋白在無線電波和磁場開關變化時，會產生各自獨特的閃爍模式。

未來，他們計劃開發一系列熒光蛋白標簽，每一種都擁有獨特的“閃爍指紋”。

這將帶來一種重要能力：多重檢測（multiplexing）。

也就是說，科學家可以在同一個樣本中同時追蹤十幾種甚至更多蛋白或細胞狀態。

目前研究人員也可以使用量子點（quantum dots）實現類似功能。量子點是一類微小的半導體晶體，能夠發出彩虹般多種顏色的熒光，某種程度上相當于人工版的熒光蛋白標簽。

但量子點和鉆石量子傳感器一樣，都存在一個關鍵問題：

它們很難被精確放置到細胞內部的特定位置。

此外，賈伊奇指出，與鉆石量子傳感器相比，量子點在靈敏度和靈活性上也存在差距。

相比之下，可以通過基因工程在細胞內部精準表達的熒光蛋白，具有明顯優勢。

15.

蛋白版“核磁共振”

磁場敏感的熒光蛋白不僅能作為傳感器，還可能改變成像技術本身。

斯蒂爾指出，目前的熒光蛋白顯微成像技術已經能夠在組織中極其精細地觀察蛋白質活動。

但它有一個根本限制：必須直接看到熒光信號。

因此，在許多實驗中，研究人員往往需要：

• 切開實驗動物組織

• 或者只能觀察組織表面約1毫米以內

更深的位置，光線在組織中散射嚴重，信號就會迅速模糊——就像試圖用手電筒照穿手掌看內部結構一樣。

斯蒂爾提出的解決方案，是把核磁共振成像（MRI）的思想引入熒光蛋白成像。

他的方案是：

• 施加無線電波和磁場梯度

• 讓熒光蛋白只在特定時間和特定位置閃爍

• 利用已知磁場信息，反推熒光產生的位置

這樣，即使光線在組織中發生散射，研究人員仍然可以精準定位信號來源。

換句話說，這種方法融合了兩種技術優勢：

核磁共振成像的深層探測能力 + 熒光蛋白的分子特異性。

16.

從原理驗證到真實設備

不過，這種技術并不適合用于人體深層成像。

原因很簡單：人體體積太大，熒光信號在到達體表之前可能已經被完全吸收。

此外，這種方法需要通過基因工程把熒光蛋白標簽植入細胞，而這種技術目前主要用于嚴重疾病治療研究。

但在動物實驗中，它可能非常有用。例如活體小鼠成像。

目前，斯蒂爾團隊已經完成了一個早期實驗：他們把含有熒光蛋白的細菌嵌入一個類似小鼠大小的塑料模型中進行成像。

實驗結果顯示：

成像分辨率約為0.5毫米。

不過目前系統仍然十分初級——只能掃描一條一維線條，而不是完整的三維圖像。

斯蒂爾笑稱，這套裝置是在一個月內臨時搭建的工程原型，“幾乎就像一臺非常糟糕的核磁共振儀”。

接下來一年，團隊計劃：

• 更精確控制磁場

• 改進信號解讀算法

• 構建真正的三維成像系統

斯蒂爾表示：

“物理原理已經驗證，現在的挑戰只是把它做成實用設備。”

17.

“磁遺傳學”的新可能

磁場可以操控這些蛋白，也意味著一個全新領域的潛在誕生：磁遺傳學（magnetogenetics）。

這一概念的核心是：

利用定向磁場遠程激活細胞內的蛋白標簽。

例如，通過磁場控制蛋白質結合行為，從而在體內深處觸發特定治療反應。

謝納認為，這一前景令人興奮。

未來，這些量子蛋白可能還會帶來更多尚未被預見的應用。

他說：

“這里面蘊藏著巨大的潛力，只是我們現在還不知道它的邊界在哪里。”

18.

下一代量子傳感器？

莫頓認為，能夠在細胞內部工作的量子傳感器仍然處于非常早期階段。

過去幾年，量子技術領域一直在尋找一個問題的答案：

“下一個氮—空位鉆石量子傳感器會是什么？”

熒光蛋白可能是候選之一，但它們仍需要證明自己在穩定性等方面能夠與鉆石傳感器競爭。

毛雷爾則持更樂觀態度。他指出，熒光蛋白擁有一個鉆石無法比擬的優勢：

基因可靶向表達。

研究人員可以把蛋白精確地放到細胞內部的任何位置。

他說：

“我們并沒有放棄鉆石，但在細胞內部進行量子傳感時，熒光蛋白很可能會勝出。”

賈伊奇同樣對這一方向充滿期待，尤其是在蛋白質工程不斷改進這些分子的情況下。

她認為，這一研究領域才剛剛開始。

“即使在目前階段，它在某些生物應用中已經可能優于其他量子傳感器。”

她總結說：

“這并不是瘋狂的想法，而是一個非常令人興奮的方向。”

參考資料：

"Quantum spin resonance in engineered proteins for multimodal sensing" by Abrahams, G. et al. Nature 649, 1172–1179 (2026).

本文頭圖來源：量子號

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