撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

自旋相關自由基對（SCRP）是一類反應行為受其電子自旋狀態(tài)顯著影響的分子實體。這些自旋態(tài)可存在于量子相干疊加狀態(tài)，使得反應路徑對外部磁場具有極高敏感性。此前，磁場對 SCRP 的影響仍局限于體外實驗或分離生物分子層面，在活體動物中實現(xiàn)針對性調控，始終未獲突破。

2026 年 3 月 18 日，斯坦福大學的研究人員在國際頂尖學術期刊Nature上發(fā)表了題為：Magnetic resonance control of spin-correlated radical pair dynamics in vivo 的研究論文。

該研究首次在量子物理學和生物學之間架起了橋梁——在活體多細胞動物中利用磁共振技術成功控制了自旋相關自由基對（SCRP）動力學。該研究不僅驗證了量子效應在復雜生物體內的存在，更為遠程控制生物分子過程（例如基因表達）開辟了全新途徑，還表明了量子工具在生物醫(yī)學中具有更廣泛的應用潛力。

總的來說，這項開創(chuàng)性研究揭示了生物調控的一個新維度——通過非侵入性的磁場遠程調控自由基對內電子自旋的微妙相互作用，這不僅豐富了我們對天然環(huán)境中自旋化學的理解，還為利用分子層面量子現(xiàn)象的變革性生物醫(yī)學技術開辟了新道路。

量子生物學的新里程碑

長期以來，科學家們一直好奇：微弱的磁場如何影響生命系統(tǒng)？候鳥如何利用地球磁場導航數(shù)千公里？這些現(xiàn)象背后，可能隱藏著量子力學的秘密。

在微觀世界中，某些化學反應會產(chǎn)生一對特殊的“自由基”——它們就像一對量子糾纏的“雙胞胎”，即使分開，其自旋狀態(tài)也保持神秘關聯(lián)，這就是自旋相關自由基對（spin-correlated radical pair，SCRP）。

當這對自由基處于特定狀態(tài)時，它們可以重組并完成化學反應；處于另一種狀態(tài)時，則會“分道揚鑣”。而外部磁場，就像一只無形的手，可以微妙地調整這對“雙胞胎”的狀態(tài)比例，從而改變化學反應的結果。更神奇的是，如果在靜態(tài)磁場基礎上，再施加特定頻率的射頻磁場，就能像調收音機一樣，精準“撥動”這對量子雙胞胎的狀態(tài)——這就是反應產(chǎn)額檢測磁共振技術。

從理論到活體動物的跨越

盡管科學家早在幾十年前就預測并在試管中觀察到了相關現(xiàn)象，但在多細胞生物體內構建工程化的量子敏感系統(tǒng)，一直是個巨大挑戰(zhàn)。

在這項最新研究，來自斯坦福大學的研究團隊選擇了一個巧妙的組合：紅色熒光蛋白（RFP）和黃素輔因子（flavin cofactor）。紅色熒光蛋白是生物學研究的“明星工具”，能讓細胞發(fā)出紅色熒光；黃素則是細胞中天然存在的分子。

研究團隊對秀麗隱桿線蟲進行基因改造，使其表達特定的紅色熒光蛋白，當這些蛋白與細胞內的黃素相遇，并在光照條件下，就會形成那個神秘的“量子雙胞胎”——自旋相關自由基對（SCRP）。

精密的量子“遙控器”

為了在活體動物中觀察并控制這種微觀量子效應，研究團隊設計了一套精密的實驗裝置。

他們使用兩組亥姆霍茲線圈產(chǎn)生靜態(tài)磁場，同時用一個頻率約 450 MHz 的環(huán)形諧振器產(chǎn)生射頻磁場。整個系統(tǒng)就像一個量子“遙控器”，能精確調控線蟲體內的自由基對狀態(tài)。

通過寬場熒光成像，研究團隊可以實時觀察紅色熒光蛋白的發(fā)光強度變化——這直接反映了自由基對的量子狀態(tài)和化學反應產(chǎn)率。

實驗結果令人振奮：當施加合適的靜態(tài)磁場時，線蟲體內紅色熒光蛋白的發(fā)光強度下降了約 6%；而當疊加特定頻率的射頻磁場時，發(fā)光強度又顯著回升。這種變化不是隨機的——它精確發(fā)生在電子自旋共振頻率附近，完全符合量子理論預測。

利用射頻磁場對熒光蛋白:黃素系統(tǒng)中紅色熒光蛋白的熒光進行調控

更精細的測量顯示，這些自由基對的量子相干時間超過4 納秒。在室溫、潮濕、復雜的生物體內，量子相干現(xiàn)象曾被認為因太過脆弱或復雜而無法在活細胞中持續(xù)存在，而這項研究證明了其不僅可以在室溫、潮濕、復雜的生物體內存在，還可以被控制和利用。

研究團隊還發(fā)現(xiàn)了一個有趣現(xiàn)象：不同組織中，磁場的調控作用程度并不相同，在腸道組織中觀察到的效應最強，而在神經(jīng)元組織中則相對較弱。這可能與不同組織中黃素輔因子的濃度差異有關，也可能反映了不同組織微環(huán)境的氧化還原狀態(tài)對量子過程的影響。這一發(fā)現(xiàn)暗示，未來或許能通過設計組織特異性的量子敏感系統(tǒng)，實現(xiàn)對特定器官或細胞類型的精準調控。

從線蟲到人類的想象

這項研究的真正意義在于，它首次在活體多細胞生物中實現(xiàn)了工程化量子系統(tǒng)的磁共振控制。

想象一下未來的應用場景：醫(yī)生可以通過體外施加特定磁場，遠程調控腫瘤細胞中的基因表達，實現(xiàn)無創(chuàng)治療；科學家可以設計對磁場敏感的報告系統(tǒng)，實時監(jiān)測特定生物過程；甚至可能開發(fā)出基于量子效應的新型生物傳感器和成像技術。

這項研究還標志著量子生物學從觀察自然現(xiàn)象，邁向了主動設計、工程化應用的新階段。未來，通過定向進化或理性設計，科學家可能開發(fā)出對磁場更敏感、特異性更強的量子蛋白，這些蛋白不僅能作為研究工具，還可能成為連接量子技術與生命系統(tǒng)的橋梁。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10282-4