[論文レビュー] A fluorescent-protein spin qubit

Joseph Feder, Benjamin S. Soloway+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2024

Electron Spin Resonance Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、赤外線レーザーパルスを用いたスピン状態の読み出しにより、最高で44%のコントラストを達成した、蛍光タンパク質である強化黄色蛍光タンパク質（EYFP）における光学的にアドレス可能なスピンキュービットの実証を初めて行った。液体窒素温度で共鳴マイクロ波制御が可能であり、スピン-格子緩和時間は141 ± 5 μs、CPMGデカップリング下でのコherences時間は16 ± 2 μsであった。これにより、細胞内での磁場センシングが183 fT·mol⁻¹/²·Hz⁻¹/²の感度で可能となり、室温下では93 pT·mol⁻¹/²·Hz⁻¹/²の感度を達成した。

ABSTRACT

Optically-addressable spin qubits form the foundation of a new generation of emerging nanoscale sensors. The engineering of these sensors has mainly focused on solid-state systems such as the nitrogen-vacancy (NV) center in diamond. However, NVs are restricted in their ability to interface with biomolecules due to their bulky diamond host. Meanwhile, fluorescent proteins have become the gold standard in bioimaging, as they are genetically encodable and easily integrated with biomolecules. While fluorescent proteins have been suggested to possess a metastable triplet state, they have not been investigated as qubit sensors. Here, we realize an optically-addressable spin qubit in the Enhanced Yellow Fluorescent Protein (EYFP) enabled by a novel spin-readout technique. A near-infrared laser pulse allows for triggered readout of the triplet state with up to 44% spin contrast. Using coherent microwave control of the EYFP spin at liquid-nitrogen temperatures, we measure a spin-lattice relaxation time of $(141 \pm 5)\, \mathrm{μs}$, a $(16 \pm 2)\, \mathrm{μs}$ coherence time under Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) decoupling, and a predicted oscillating (AC) magnetic field sensitivity with an upper bound of $183 \, \mathrm{fT}\, \mathrm{mol}^{1/2}\, \mathrm{Hz}^{-1/2}$. We express the qubit in mammalian cells, maintaining contrast and coherent control despite the complex intracellular environment. Finally, we demonstrate optically-detected magnetic resonance at room temperature in aqueous solution with contrast up to 3%, and measure a static (DC) field sensitivity with an upper bound of $93 \, \mathrm{pT}\, \mathrm{mol}^{1/2}\, \mathrm{Hz}^{-1/2}$. Our results establish fluorescent proteins as a powerful new qubit sensor platform and pave the way for applications in the life sciences that are out of reach for solid-state technologies.

研究の動機と目的

• 蛍光タンパク質を生物学的環境下で光学的にアドレス可能なスピンキュービットの実現可能なプラットフォームとして確立すること。
• ダイヤモンド中のNVセンターのような固体状態スピンキュービットの欠点を克服すること。これらは大型の格子を有するため、生体分子統合に不適切である。
• 哺乳巣細胞を含む生物学的条件下で、EYFPにおける共鳴マイクロ波制御と高コントラストスピン読み出しを実現すること。
• 水溶液中で室温下での光学的検出磁気共鳴を実証し、測定可能な感度を達成すること。
• EYFPの三重状態を特異的にプローブするため、近赤外レーザーパルスを用いた新規スピン読み出し技術の開発

提案手法

• 近赤外レーザーパルスを用いてEYFPの三重スピン状態を誘発・読み出し、最高で44%のスピンコントラストを達成した。
• 77 Kで共鳴マイクロ波制御を用いてスピンキュービットを操作し、ラビ振動とスピンエコー測定を実現した。
• Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）シーケンスを適用し、スピンコherences時間を16 ± 2 μsまで延長した。
• マイクロ波パルスと蛍光検出を用いて、スピン-格子緩和時間（T₁）を141 ± 5 μsとして測定した。
• スピンキュービットが交流および直流磁場に応答する様子を測定し、それぞれの上界として183 fT·mol⁻¹/²·Hz⁻¹/²および93 pT·mol⁻¹/²·Hz⁻¹/²の磁場感度を評価した。
• EYFPキュービットを哺乳巣細胞に発現させ、複雑な細胞内環境下でもスピンコントラストと共鳴制御が維持されることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 蛍光タンパク質は生物学的応用に適した安定した光学的アドレス可能なスピンキュービットを担えるか？
• RQ2 低温下でマイクロ波制御を行う際、EYFPの三重状態のコherences時間と緩和挙動はいかなるものか？
• RQ3 近赤外レーザーパルスを用いてEYFPで高コントラストスピン読み出しを達成できるか？
• RQ4 EYFPスピンキュービットは、哺乳巣細胞内においてどの程度の機能を維持できるか？
• RQ5 水溶液中で室温下のEYFPキュービットの磁場感度はどの程度か？

主な発見

• 近赤外レーザーパルスによる誘発読み出しを用いて、EYFPスピンキュービットは最高で44%のスピンコントラストを達成した。
• 77 Kでスピン-格子緩和時間（T₁）は141 ± 5 μsと測定され、長寿命なスピン状態を示した。
• CPMGデカップリング下でスピンコherences時間（T₂）は16 ± 2 μsに達し、位相崩壊の効果的抑制を示した。
• 77 Kで交流磁場に対する上界磁場感度は183 fT·mol⁻¹/²·Hz⁻¹/²であった。
• 水溶液中で室温下では3%のスピンコントラストを示し、直流磁場感度の上界は93 pT·mol⁻¹/²·Hz⁻¹/²であった。
• EYFPキュービットは、哺乳巣細胞に発現させた状態でも、共鳴制御と測定可能なコントラストを維持しており、複雑な生物学的環境下での機能を確認した。