La rivoluzione quantistica in diagnostica
L’innovazione tecnologica sta trasformando il settore della diagnostica e non solo, grazie all’integrazione di quantum computing e intelligenza artificiale (IA). Nel seguente articolo, si andranno ad analizzare le possibili nuove applicazioni che possono fruire dall’uso della tecnologia quantistica e dei nuovi device biosintetici in campo diagnostico, di ricerca e i generale nella medicina di laboratorio.
Una rivoluzione copernicana in campo della quantistica: Microsoft e il chip Majorana 1
Majorana 1, il primo processore quantistico al mondo basato su qubit topologici, porta il colosso informatico verso l’ambizioso traguardo di costruire un computer quantistico affidabile e scalabile fino a un milione di qubit.
I qubit topologici si basano su un principio rivoluzionario, dove invece di memorizzare l’informazione quantistica in singole particelle, la immagazzinano nella struttura complessiva del sistema, in modo simile a un nodo in una corda, dove in questo caso si rappresenta un’informazione. Questo concetto si basa su particolari quasi particelle chiamate anyoni, che esistono solo in sistemi a due dimensioni e possiedono proprietà uniche.
Nei qubit topologici (figura 1), gli anyoni possono essere mossi e intrecciati tra loro in uno schema preciso, un processo noto come braiding.
La disposizione e il movimento di queste particelle determinano lo stato quantistico del qubit. Ciò significa che l’informazione non è immagazzinata in una singola particella (che può facilmente perdere coerenza), ma è distribuita attraverso il sistema nel suo insieme. Questo la rende molto più resistente agli errori, rendendo questo sistema facilmente applicabile in campo della ricerca biologica.
L’applicazione della tecnologia quantistica in diagnostica
Come detto nel paragrafo precedente, i qubit (unità base delle tecnologie quantistiche) possono funzionare come nanosensori ultra-sensibili di campi magnetici, elettrici e temperatura.
Un gruppo di ricerca del Center for Molecular Engineering del dipartimento UChicago Argonne ha mostrato che proteine eterologhe fluorescenti come la EYFP(enhanced yellow fluorescent protein) possono funzionare come qubit di spin otticamente leggibili, permettendo di ottenere biosensori con un’alta sensibilità, poiché si riduce il rumore di fondo e il segnale persiste più a lungo per essere captato.
Il funzionamento si basa sull’EYFP (yellow fluorescent protein), proteina che, grazie alla sua struttura a β-barrel, possiede uno stato tripletto metastabile che può essere manipolato con luce e microonde e rimanendo più a lungo nello stato “eccitato”, permettendo un output forte.
Applicazioni biologiche e prospettive future
Il sistema a dispositivo fluorescente basato su EYFP è stato espresso in cellule umane (HEK293T) e in E. coli, dove si è visto che la tecnologia quantistica riesce a garantire le sue alte performance mantenendo le proprietà di qubit. Questo apre alla possibilità di misurare segnali quantistici direttamente in cellule vive e batteri.
Le possibili applicazioni comprendono:
- Diagnostica ultra-sensibile: rilevazione di stati redox di metalloproteine, interazioni farmaco-proteina e modifiche post-traduzionali. Ciò consente di studiare la farmacocinetica e la dinamica di uno xenobiotico oppure lo stato di avanzamento di una terapia antineoplastica.
- Imaging innovativo: possibilità di multiplexing sfruttando le risonanze ODMR come una “nuova dimensione di colore”.
- Integrazione con librerie già esistenti di proteine fluorescenti: enorme potenziale in biologia cellulare e medica, permettendo di ottenere output sempre più sensibili e risoluti. Inoltre, collegando tale tecnologia a modelli di machine learning, si può così ottenere una diagnostica più rapida ed efficiente.
I nuovi ritrovati in campo dello studio del microbiota intestinale
Attualmente si sta dando sempre più importanza alla ricerca sul microbiota intestinale, soprattutto in relazione a uno stato di “eubiosi”, che determina il buono stato di salute dell’ospite grazie ai meccanismi trofici che le comunità microbiche instaurano con il loro host.
Le tecniche attuali per lo studio delle comunità microbiche intestinali sono spesso invasive. Infatti, per monitorare il microbiota autoctono e quindi mucoso-aderente, una delle tecniche più performanti è la biopsia in situ tramite colonscopia. È chiaro che questa tecnica può essere applicata solo in determinate situazioni, spesso su soggetti non in salute, e quindi non offre una visione completa del microbiota di un individuo sano. Inoltre, alcune aree dell’intestino restano inaccessibili alla biopsia, rendendo ancora più difficile lo studio delle varie nicchie ecologiche che caratterizzano il nostro tratto gastrointestinale.
Ultimamente, invece, sono stati sviluppati biosensori basati su una catena di segnalazione bio–ottico–elettronica, che permettono di studiare lo stato del microbiota intestinale, bypassando il problema del cosiddetto “microbial dark matter”.
Come funziona il device
Il biosensore è composto da microbi (E. coli) ingegnerizzati per diagnosticare biomarcatori (es. ossido nitrico, marker di infiammazione), producendo bioluminescenza. Questa è rilevata da capsule ingeribili optoelettroniche, in grado di inviare direttamente segnali allo smartphone del paziente. A loro volta, attraverso segnali wireless, le capsule optoelettroniche possono attivare i microbi ingegnerizzati a produrre geni eterologhi con espressione di proteine terapeutiche. In questo modo si ottiene sia una “diagnosi” che una “cura”.
Ad esempio, è possibile realizzare una terapia personalizzata, poiché sotto stimolazione luminosa viene prodotta un nanobody anti-TNF in grado di alleviare la colite.
Le prospettive per questo tipo di tecnologia sono già state sperimentate su modelli animali indotti specificamente a sviluppare malattie croniche intestinali, come la colite.
Conclusioni e prospettive future
I biosensori “viventi”, geneticamente programmabili e integrati con tecnologie avanzate (quantistica, optoelettronica), rappresentano una vera “rivoluzione copernicana” della diagnostica e della medicina di laboratorio. L’unione del machine learning, tecnologie quantistiche e ingegneria genetica di cellule e macromolecole consente di sviluppare dispositivi sempre più performanti, in grado di garantire diagnosi e terapie mirate. Questi approcci possono estendersi a numerosi biomarcatori, metabolici e non, favorendo la diagnosi precoce di tumori, malattie croniche ed infettive. Ciò rende la prevenzione un pilastro del sistema sanitario nazionale (SSN), migliorando la qualità della vita del paziente, garantendo anche la sostenibilità economica del SSN. Inoltre, tali tecnologie rendono la ricerca più “smart”, producendo grandi quantità di dati che, integrati tramite il machine learning, permettono una comprensione più profonda dei più complessi fenomeni biologici.
Crediti immagini:
- Immagine in evidenza: https://hd2.tudocdn.net/1218356?w=980&h=431
- Figura 1: https://it.wikipedia.org/wiki/Qubit#/media/File:Bloch_Sphere.svg
- Figura 2: Zhang, X., Feng, Z., Li, H. et al. Ingestible optoelectronic capsules enable bidirectional communication with engineered microbes for controllable therapeutic interventions. Nat Microbiol 10, 1841–1853 (2025). https://doi.org/10.1038/s41564-025-02057-w
Fonti:
- Microsoft unveils Majorana 1, the world’s first quantum processor powered by topological qubits
- Colonoscopy aspiration lavages for mucosal metataxonomic profiling of spondylarthritis-associated gastrointestinal tract alterations
- A fluorescent-protein spin qubit
- Ingestible optoelectronic capsules enable bidirectional communication with engineered microbes for controllable therapeutic interventions