为了推动未来量子技术的发展，科学家们正在探索多种可能的方法。其中之一是将分子作为量子技术的基本构件。近期，加州理工学院的研究人员提出了一种创新的技术， 使用超快激光脉冲调控分子的电子自旋， 利用量子叠加这一重要的量子力学特性，将原本简单的分子转化为量子传感器。这些量子传感器能够利用其内在的量子特性，测量周围环境中的化学现象。这项技术为研究化学过程、生物系统以及推动量子技术的开发提供了新途径，尤其在蛋白质突变检测等应用领域具有重要潜力。相关研究成果以“ Using Laser and a New Class of ”为题发表在上。
量子叠加态与量子比特的独特性质
人们通常通过“薛定谔的猫”实验来理解量子叠加性，该实验假设，在未对系统进行观察或测量之前，盒子中的猫可以同时处于生死两种状态。类似地，处于叠加态的电子也可以存在于多种可能的状态中，每种状态代表着不同的结果，而测量后每种结果的发生概率则各不相同。
许多量子技术的核心在于量子比特（qubit），量子比特可对应计算机中的经典比特——位（bits）。然而，不同的是，量子比特（可以是分子、原子、光子或电子等，具体形式取决于量子计算或传感系统）能够展示出叠加态这一独特现象。由于量子比特可以同时处于多个状态，它们的计算能力远超经典比特。然而，叠加态在与周围环境的相互作用下会迅速坍缩为某一特定状态，这一现象为量子计算机等技术的实现带来了巨大的技术挑战。
通过激光脉冲测量叠加态的创新研究
加州理工学院化学系助理教授Ryan G. Hadt及其实验室的研究人员展示了如何 通过飞秒激光脉冲（持续时间仅为几亿分之一秒）激发一类分子加州理工博后，以在室温下测量叠加态的实例。具体来说，他们展示了如何测量电子自旋叠加，这是一种量子力学特性，决定了电子产生的磁场方向。
用激光脉冲（绿色）照射一个特殊设计的分子，会产生两个电子自旋态的振荡量子力学叠加。第二个较弱的激光脉冲（紫色）能够在飞秒到皮秒的时间尺度上测量叠加态的演化，速度明显快于以前的方法。这种新的光谱方法能够在前所未有的化学条件下研究分子相干性，并为量子传感应用的开发提供了一个平台。
Hadt表示：“这项技术为研究生物系统、材料或其他化学过程提供了前所未有的可能性，这在以前是无法实现的。”
这项研究由化学博士后Erica 领导，利用了一个相对简单的分子的电子结构：六氯铱酸钾（K₂IrCl₆，Ir(IV)）。K₂IrCl₆基本上是一个铱离子被六个对称分布的氯离子包围的化合物加州理工博后，加州理工学院：使用超快激光脉冲进行量子传感，同时也是一个典型的顺磁性分子，意味着它具有非配对电子。解释道：“在大多数分子中，电子只能处于特定的状态，但在这种高度对称的顺磁性分子中，电子状态的排列使得我们能够通过光有效地操控电子自旋。”
研究团队采用了一种名为 泵浦探针偏振光谱学的技术，来创建并追踪电子自旋的叠加态。他们使用飞秒激光脉冲照射水中的K₂IrCl₆样品，这些脉冲经过精确调控，具有特定的偏振（光的偏振指光波在传播过程中相对于其传播方向的振荡取向）。指出：“如果我们选择合适的偏振光，处于平衡状态的常规分子可以被激发进入自旋叠加态。” 激光脉冲将电子从某一状态激发到更高的激发态，从而实现叠加。
几分之一秒后，研究人员用一个较弱的激光脉冲照射样品，并测量光的偏振变化。通过不断地进行此类测量国外在职学位班，他们能够确定电子在恢复到初始状态之前，保持叠加状态的时间。
实验室研究生、论文共同作者 P. 表示：“并非所有分子都适合用这种方法进行测量，因此，这项研究揭示了两个关键的突破：一是开发仪器技术，二是找到能够与这些仪器配合使用的分子设计原理。”
尽管加州理工学院的研究小组首次证明，顺磁性分子可以通过这种方法启动和测量电子自旋叠加，指出，这种技术并不专门针对K₂IrCl₆。她解释道：“我们并不认为我们所选择的分子是最理想的，而是展示了这一新技术作为一种量子特性探针在分子系统中的应用例子。”
激光技术下的量子传感器潜力与应用前景
除了有助于研究叠加态及其持续时间外，这些分子还具有作为量子传感器的潜力。例如，电子叠加对多种化学特性非常敏感，比如分子周围环境的粘度，或是否存在能够产生磁场的普通原子核。
还强调：“这种方法的简便性使其具有广泛的应用前景。由于我们在这项技术中仅使用光，而不像其他方法那样依赖大磁铁或微波，因此我们能够在极短的时间尺度上测量特性，也可以在小尺寸尺度上进行测量。这意味着我们 有可能在显微镜尺度上进行观察，这在过去是无法实现的，从而为研究生物系统中未充分探索的特性开辟了新的可能性。”
原文连接：
科学编辑 | 佚名
加州理工博后，浙大校友将Cas9基因编辑效率提升百倍，打造基因编辑通用型改造策略，助力治疗基因疾病
浙大校友将Cas9基因编辑效率提升百倍加州理工博后，浙大校友将Cas9基因编辑效率提升百倍，打造基因编辑通用型改造策略，助力治疗基因疾病，打造基因编辑通用型改造策略加州理工博后，助力治疗基因疾病
资讯精选06.3016:03
读博和博后期间，先后见证自己的导师成为诺奖得主。而自己则分别以一作身份，发表了一篇 论文和 Cell 论文。
这便是浙江大学本科校友、美国加州理工学院博士毕业生陈凯的独特经历。
上述 Cell 论文，则正由他和自己的博后导师、美国加州大学伯克利分校教授珍妮弗·杜德纳（ A. ）以及其他同事联合完成。
研究中，他们着眼于蛋白结构-功能的相关性研究，并在分子层面上阐释了调控 Cas9 基因编效率的关键因素，将为开发新型基因编辑工具带来指导作用。
本次所提出的 基因编辑器改良策略，预计将会加快基因编辑工具的开发，以满足不同的应用需求。
在未来，他们也希望这一策略能被用于开发更普适、更高效的基因编辑系统。
缘何难以提升 Cas9 基因编辑效率？
据介绍， 基因编辑系统由两个关键组分构成：向导 RNA（sgRNA）和 DNA 内切酶 Cas 蛋白。
其中，向导 RNA（sgRNA）的作用在于定位目标 DNA 序列。之后，由 DNA 内切酶 Cas 蛋白（比如 Cas9、Cas12）完成对于目标 DNA 序列的切割。
这套基因编辑系统如今已被广泛用于到各个方向的生命科学研究中，在治疗人类基因疾病上潜藏着巨大潜力。
正因如此，学界在过去十数年中不断挖掘自然界中天然存在的 -Cas 体系，以用于开发能适用于不同范围的基因编辑工具。
与此同时，不少实验室也通过蛋白工程，来改造已知的 -Cas 体系以便提升其性能，比如扩展目标序列的识别范围、降低脱靶风险等。
但是，在提升 Cas9 的基因编辑效率上，仍然缺乏有效的手段。
一方面，是因为人们依旧不清楚 Cas9 基因编辑效率的决定因素。
另一方面，在分子层面上人们对于 Cas9 蛋白结构也缺乏清晰认知，尤其不清楚到底怎样的结构变化才能提升 Cas9 的效率。
提出改造 Cas 蛋白楔形结构域的策略
长期以来，珍妮弗·杜德纳实验室致力于研究微生物免疫系统的生物化学、以及基于 的基因编辑工具的开发和应用。
在本次课题中，他们旨在研究 基因编辑器的性能，以及探索如何有效地改造基因编辑器，以便使之拥有更好的编辑效率。
因此，在该研究中他们着眼于来自嗜热脂肪地芽孢杆菌（ ）的 Cas9 蛋白（即 ）。
其具备良好的热稳定性，或能作为更好的基因编辑器。可惜的是，在哺乳动物细胞中的编辑中， 的效果很差。
此前，陈凯曾通过使用“定向进化”的策略，针对 进行筛选改造，借此得到一个全新的突变体（即 ）。
这不仅大幅提升了基因编辑效率，也让热稳定性得到了保留。
对于蛋白的定向进化来说，它往往通过人为的随机突变和活性筛选，来得到活性更优的突变体。
在这整个定向进化过程中，尽管氨基酸的突变是随机的，但是陈凯特别关注到，对于效率提升起到最关键作用的有效氨基酸突变，往往集中在一个之前鲜少被注意的蛋白区域——楔形（WED，wedge）结构域。
基于此，在本次工作之中，他们针对两个版本的 （野生型和改造版），在蛋白结构、以及生物化学活性上的差异加以详细比较，尤其着眼在 WED 结构域的变化以及对蛋白功能的相应影响。
以 为例，WED 结构域上的 3 个氨基酸突变，会与目标双链 DNA 建立新的相互作用，从而增强与 DNA 的结合能力，进而让 能够识别更广泛的 DNA 序列。
然后，他们进一步比较两个 的生物化学活性，并仔细探究了 Cas9 功能的每一个基元步骤、以及外在的影响因素。
借此发现：在 Cas9 功能的每一步之中，比如从最开始的 PAM 序列的识别、到对于目标 DNA 序列的初始弯曲、再到对于 DNA 双链的解旋，楔形结构域中的有效氨基酸突都能起到提升作用。
基于此，他们提出了改造 Cas 蛋白楔形结构域的策略，以便能够提升不同基因编辑器的效率，并在不同 Cas9 蛋白上均获得成功。
例如，他们将类似的 WED 结构域突变引入其他 Cas9 蛋白中，结果发现类似的氨基酸突变，同样能将基因编辑效率提升百倍以上。
该团队也预见了这一蛋白改造策略将能被更广泛的用于提升其他不同基因编辑器的效率。
日前，相关论文以《DNA 快速解旋加速了基因组编辑》（Rapid DNA by -Cas9）为题发在 Cell[1]。
陈凯是共同第一作者，珍妮弗·杜德纳担任通讯作者。
读博和博后期间，先后见证两位导师成为诺奖得主
陈凯表示：“这个课题是非常符合我个人的科研逻辑。”
他将这套逻辑建立于以下两点：
其一，实现新的发现，改变人们对于一些科学问题的认知（理论）；
其二，打造新的工具，改变人们研究科学的方法（应用）。
他表示：“我在上一个课题中发展了新的工具，改造了新的 Cas9 蛋白，并将其用于开发新的基因编辑器，同时拓宽了下游疾病治疗相关应用。”
而在本次课题之中，他回归到理性理解的角度，通过探究新的规律，并将其回馈于工具的开发。
“这也结合了我在读博时学到的蛋白工程和定向进化技能国外在职学位班，如今我将它们用于我的博士后研究之中，让理论和应用得到了有机统一。”其表示。
如前所述，陈凯本科和博士先后毕业于浙江大学和美国加州理工学院。其中，大四时以化学专业第一名的成绩毕业。
读博期间，陈凯以第一作者身份发表的 论文，首次展现了使用定向进化策略改造的天然酶可以获得非天然的功能，用以合成具有高张力能的小分子化合物。
2018 年，在自己读博期间，陈凯的博士导师弗朗西丝·阿诺德（ H. ）获得诺贝尔化学奖。在诺奖发布会报告以及阿诺德教授的诺奖报告中，陈凯的工作均被引用。
2020 年，陈凯加入加州大学伯克利分校从事博后研究。“在这里我又一次见证了导师获得诺贝尔化学奖，实属人生幸事。”他说。
目前，他在博后期间已经主导完成了多个课题，包括新型基因编辑器的开发和改造、基因编辑器递送策略的发展和创新、以及将基因编辑用于基因疾病治疗的相关应用研究等。
而在未来，他也希望进一步地开发基因编辑工具，并将其更好地用于治疗基因疾病之中。
参考资料：
1., A. R., Chen, K., , K. M., Tuck, O. T., , E. E., Xu, B., … & , J. A. (2024). Rapid DNA by -Cas9.Cell, 187(13), 3249-3261.
排版：溪树
01/ 中科大团队打造摩擦静电镊，提出新型液滴操控技术，可用于操作细胞液体和太空实验
02/ 助力解决自动驾驶商用难题：科学家提出等效加速测试方法，提升仿真与实车测试速度1000倍
03/ 复旦与上科大团队基于超导视网膜打造新型红外探测器，有望用于AI机器视觉和加密通讯
04/ 为30年待解之谜画上句号：科学家用哈伯德模型研究铜氧化物超导性，助力揭示高温超导本质
05/ 让光化学分析再进一阶：科学家研发“纤上实验室”，能解码传感器的物理事件和化学事件
ucla博士后，招聘专栏：四川大学新型半导体材料与器件课题组招聘信息
课题组简介
马纯青博士，四川大学化学学院特聘研究员、博士生导师，入选国家高层次人才计划青年项目。2019年博士毕业于香港城市大学（导师：李振声教授），随后加入成均馆大学和UCLA进行博士后研究,合作导师为Prof. Nam-Gyu Park和Prof. Yang Yang，主要从事钙钛矿材料开发和光伏器件的研究，以第一作者和通讯作者在、Joule、 & 、 、Chem、 、 of the 、ACS 等高影响力期刊发表论文20余篇。
课题组专注于新型半导体材料与器件的研究，特别是基于钙钛矿等材料的光电器件。我们的研究涵盖材料设计、器件制备、性能优化以及相关的物理机制研究，力求在新能源领域取得重要突破。课题组依托四川大学化学学院及其先进的实验设备和学术资源，并与国内外多所著名高校及研究机构保持密切合作，致力于推动下一代光电技术的发展。
招聘岗位
我们诚邀具有科研热情和创新能力的优秀博士后、硕士/博士研究生加入我们的团队。
岗位要求
1. 硕士/博士研究生要求：材料科学、化学、物理等相关专业背景；具有较强的科研背景，发表过高水平学术论文者优先考虑。我们重视培养学生的科研兴趣，关注学生身心健康的平衡发展。
2. 博士后要求：获得或即将获得博士学位（材料、化学、物理等专业）；具有独立从事材料设计和器件研发的能力，发表过SCI期刊论文国外在职学位班，具有良好的英语水平。符合条件者将有机会申请国家、省级博士后科研项目，待遇优厚，年薪36万元左右，课题组为博士后提供充分的科研支持ucla博士后，积极协助申请各类科研项目。
应聘方式
有意者请将PDF版个人简历（包括详细的教育背景、研究经历、发表论文信息等）及其他可证明申请人科研能力的材料发送至邮箱：，邮件标题请注明“应聘岗位+申请人姓名”。对符合条件者将尽快回复。
学术交流QQ群
知光谷光伏器件学术QQ群：
钙钛矿产教融合交流@知光谷（微信群）：需添加编辑微信
为加强科研合作，我们为海内外科研人员专门开通了钙钛矿科创合作专业科研交流微信群。加微信群方式：添加编辑微信、ucla博士后，招聘专栏：四川大学新型半导体材料与器件课题组招聘信息，备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群。
