美시카고대 ‘생물학적 큐비트’ 세포 내 양자 현상 구현

미국 시카고대학교 프리츠커 분자공학 대학원(Pritzker School of Molecular Engineering, UChicago PME) 연구진이 살아있는 세포 환경에서 작동하는 단백질 기반 큐비트(생물학적 큐비트, biological qubits)를 개발했다고 발표했다.

네이처(Nature) 저널에 최근 게재된 이번 연구는 큐비트가 반드시 극저온·고립 환경에서만 작동해야 한다는 기존의 통념을 깨고, 따뜻하고 복잡한 생체 환경 내에서도 양자 현상을 활용할 수 있음을 입증했다.

형광 단백질에서 큐비트로… 유전적으로 인코딩된 ‘생체 양자 비트’

연구팀은 세포 생물학에서 널리 사용되는 형광 단백질의 일종인 Enhanced Yellow Fluorescent Protein (EYFP)을 스핀 큐비트로 기능하도록 공학적으로 재설계했다. 이 단백질은 유전적으로 인코딩되어 세포 스스로 합성할 수 있으며, 원자 단위의 정밀도로 배치된다. 이는 기존 나노 소재 기반 큐비트 기술로는 달성하기 어려운 수준의 제어 정밀도를 보여준다.

살아있는 세포 안에서 양자 행동 확인

연구진은 정제된 단백질뿐 아니라 포유류 세포와 박테리아(E. coli) 세포 내부에서도 이 단백질 큐비트가 스핀 결맞음 시간(spin coherence times)과 광학적으로 검출된 자기 공명(ODMR)을 유지함을 확인했다. 이는 세포 내 단백질 접힘, 효소 작용과 같은 복잡한 생명 현상이 진행되는 환경에서도 양자 상태가 안정적으로 유지될 수 있음을 보여준다.

특히, 이 단백질 큐비트는 상온의 대장균 환경과 저온의 인간 신장 세포 환경 모두에서 동작해, 고전적 노이즈에 취약하다는 기존 큐비트의 한계를 극복할 가능성을 제시했다.

잠재적 응용: 양자 센싱부터 나노 MRI까지

• 양자 센싱 혁명: 기존 양자 센서보다 수천 배 강한 신호 감지가 가능해, 세포 내 단백질 접힘이나 효소 촉매 과정 등을 양자 수준에서 관찰할 수 있다.
• 나노스케일 MRI: 개별 분자의 원자 구조를 전례 없는 정밀도로 영상화하는 양자 기반 나노 MRI 개발로 이어질 수 있다.
• 새로운 양자 재료 설계: 생명체의 자가 조립(self-assembly)·진화 메커니즘을 양자 기술에 접목해, 큐비트 확장(scaling) 문제 해결에 기여할 수 있다.
• 양자 의학: 질병의 양자적 생화학 기원 분석과 정밀 약물 작용 이해 등 ‘양자 의학(quantum medicine)’ 발전을 촉진할 전망이다.

남은 과제와 도전

현재 단백질 큐비트는 다이아몬드 NV 센터 같은 고체 스핀 센서에 비해 민감도에서 뒤처진다. 따라서 실제 생물학 연구 도구로 활용되기 위해서는 안정성과 민감도 개선이 필요하다. 연구진은 향후 단백질 기반 큐비트의 민감도 향상과 응용 확장을 통해 양자 생명과학(quantum bioscience)의 새로운 지평을 열 수 있을 것으로 기대하고 있다.