Magnetic resonance control of spin-correlated radical pair dynamics in vivo

量子生物学领域长期以来一直致力于弥合亚原子自旋动力学与宏观生物功能之间的鸿沟。在《自然》(Nature) 杂志发表的一项里程碑式研究中，研究人员通过在活体多细胞生物中利用磁共振远程控制生化反应产率，实现了重大突破。通过利用自旋相关自由基对 (SCRP) 的动力学，该团队成功调节了秀丽隐杆线虫 (Caenorhabditis elegans) 体内红色荧光蛋白 (RFP) 的荧光发射，为在活体内工程化控制量子相关态提供了坚实的框架。

这一发现的核心是反应产率检测磁共振 (RYDMR) 现象。在涉及 SCRP 的化学系统中，单重态和三重态自旋态之间的相互转换对外部磁场非常敏感。虽然已知静态磁场 (MFE) 会影响这些转换，但在电子自旋共振 (ESR) 频率附近施加射频 (RF) 磁场可以精确操纵自旋布居。研究人员利用了由 RFP（如 mScarlet 和 mCherry）与黄素单核苷酸 (FMN) 辅因子组成的系统。光激发后，电子转移过程产生自由基对，其自旋演化决定了最终的荧光输出。通过施加静态磁场 (B0) 和垂直的射频磁场 (B1)，团队观察到荧光的共振增强，这标志着三重态子能级布居的成功重新分配以及随后向单重态基态的回归。

该研究首先在体外使用纯化蛋白验证了这一机制。结果显示，mScarlet 及其变体表现出高达 20% 的磁场效应 (MFE)，RYDMR 特征使荧光增加了 10%。至关重要的是，共振线宽为自由基对的相干时间提供了约 4 ns 的下限，这一持续时间足以支持潜在的生物传感应用。研究人员还证明了共振频率遵循理论 ESR 预测，证实了这种相互作用的量子本质。

在转向活体模型时，团队培育了在全身或特定组织中表达 mScarlet 的转基因秀丽隐杆线虫。利用集成环隙谐振器和亥姆霍兹线圈的定制装置，他们在磁控制下对线虫进行了宽场荧光成像。实验揭示了生物体内空间分辨率的 RYDMR 信号，且不同组织类型之间存在显著差异。例如，肠道组织比神经组织表现出更强的磁调节作用，这可能归因于更高的内源性黄素浓度和不同的氧化还原环境。研究还指出，氧化应激会抑制这些效应，凸显了 SCRP 动力学对细胞环境的敏感性。

这项研究首次证明了工程化的 SCRP 系统可以赋予多细胞动物非原生生化过程磁敏感性。除了其基础科学价值外，该工作还为利用非侵入性磁场远程调节生物过程（如基因表达或神经活动）开辟了新途径。通过证明量子相关性可以在活体生物的复杂环境中维持和操纵，该研究为生物学和医学领域新一代遗传编码量子工具的开发铺平了道路。