2026年6月25日——设计一种药物是一回事。

了解它是否有效以及为什么有效又是另一回事。

不是停留在纸上或计算机模型中，而是深入生命系统的混沌世界——在那里，蛋白质扭曲成型，原子不断地相互拉扯、碰撞，分子间的相互作用决定着健康与疾病的界限。

数十年来，科学家们已经知道这些相互作用由隐藏的量子力驱动。问题在于，他们就像蒙眼工作一样，从未能直接在生物系统中测量这些力。

现在，这种蒙眼工作的时代或将终结。

德州农工大学量子科学与工程研究所的研究人员发明了一种名为热稳定拉曼相互作用图谱（TRIP）的激光技术，能够直接测量塑造蛋白质的量子力，以及药物如何与其相互作用。

当该团队用一种关键的冠状病毒蛋白测试这项新技术时，结果令人震惊。

TRIP 不仅揭示了病毒蛋白的物理重排方式，还准确预测了抗病毒药物与其结合并发挥作用的有效性。

该项目发表在《科学进展》上，并获得了空军科学研究办公室、美国国立卫生研究院、谷歌和陆军研究实验室的支持。它以前所未有的实时视角揭示了塑造蛋白质的原子力，同时也为药物发现与开发引入了一项强大的发明。

“我们首次能够在最基本的层面上直接测量分子力，”该项目首席研究员、电气与计算机工程系助理研究科学家 Narangerel Altangerel 博士表示，“我们可以直接将这些测量用作药物开发的预测工具，其应用远不止于单一病毒或疾病。”

量子精度的精准医疗

TRIP 带来的真正冲击波远不止局限于某种病原体，甚至某种疾病。

TRIP 捕获的量子力是生命本身隐藏架构和支撑结构的一部分。

“蛋白质是生命的基石之一，”Altangerel 说道，“我们所做的，本质上是让光照亮将它们维系在一起的机制，而这对药物如何发挥作用至关重要。”

这意味着 TRIP 不仅仅是一种观察疾病的工具，更是一种针对疾病进行设计的激动人心的技术。

例如，在癌症研究中，TRIP 可以帮助科学家评估能够破坏驱动和扩散肿瘤生长的蛋白质网络的药物。

在阿尔茨海默病研究中，TRIP 可以帮助评估哪些化合物能够稳定脑细胞中的健康蛋白质，或检测与神经退行性变相关的最早期变化。

同样的原理也适用于各类传染病。科学家现在可以直接观察不同药物如何靶向并削弱病毒赖以生存的蛋白质机制，从而在临床试验之前很久就识别出最有力的候选药物。

“我们的技术是非侵入性的，可以加速药物的测试和预筛选，旨在改善人类整体健康，”德州农工大学工程学院电气与计算机工程教授、该研究的密切合作者和作者 Philip Hemmer 博士表示。

对于研究界乃至整个世界而言，这些都是深刻的变革。

通过直接理解这些量子相互作用，我们可以开始以前所未有的精度设计药物，并将其应用于一系列疾病。

最终，我们正首次进入一个新时代：疗法不再仅仅是针对一般性病症的泛泛治疗，而是可以围绕驱动疾病的基本力进行定制和设计。

一个以量子精度打造的精准医疗的未来。

可见的隐形量子“魔术贴”

在每个活细胞的深处，微妙的“协商”无时无刻不在进行。在这个过程中，无数环状分子相互靠近、排列整齐，像薄饼一样堆叠在一起，形成一种名为 pi-pi 堆积的微妙相互作用。

没有剧烈的化学反应，没有化学键的断裂或形成。只有微妙的几何结构和量子力学在背后静悄悄地运作。然而，这种隐藏的力几乎存在于生物学的每一个角落。

Pi-pi 相互作用是生物学、材料科学和药物设计的基石。可以把它们想象成生物界的“魔术贴”。它们维系着生命系统中 DNA 和蛋白质等分子的三维结构，并在药物如何发挥作用中扮演着重要角色。

Philip Hemmer 博士电气与计算机工程教授德州农工大学工程学院

问题在于：科学家们花费数十年试图利用它们，却一直无法直接测量这些力。

“当前的技术，如 X 射线晶体学和质谱法，虽然有用，但依赖于视觉直觉和间接推断，而非直接测量，”Altangerel 说道。

量子的旋律

为了直接测量 pi-pi 堆积，该团队发明了 TRIP，这是一种基于拉曼光谱的方法。它向样品发射激光，并记录返回的独特振动信号。本质上，是倾听从被激发的化学键弹回的旋律。

每个化学键都以自己独特的频率振动。

在这种情况下，团队发现一个特征信号——氨基酸苯丙氨酸的“苯环呼吸”振动——就像是一个对 pi-pi 堆积敏感的指示器。

当环状分子靠得更近并堆叠时，它们的振动会发生偏移，就像乐手略微跑调。TRIP 捕获这些微小的频率偏移，并将其转化为 pi-pi 堆积的直接读数。

“这是一种用来捕获量子效应的经典技术，”Altangerel 说，“我们将分子振动转化为可读的信号。这就像聆听一首分子的音乐，实时感受其内部力的变化。”

新冠：试金石

毕竟，一项新的科学技术的价值取决于它的检验效果。

对于该团队而言，这次检验以一个熟知的目标形式出现：SARS-CoV-2，即导致 COVID-19 疫情的病毒。具体来说，研究人员聚焦于其主要蛋白酶 Mpro，这是一种维持病原体结构并帮助其繁殖的蛋白质。

“我们选择冠状病毒作为测试模型，是因为其生物学和临床相关性，”Altangerel 说道。

Mpro 对于研究 pi-pi 堆积尤其有用，因为它只能以“二聚体”形式发挥功能。也就是说，只有当两个副本结合时它才会被激活，而 pi-pi 堆积由此开始。

因此，随着 Mpro 在活性和非活性状态之间转换，研究人员实时捕捉到了其振动特征相应的变化。

“我感到难以置信，”Altangerel 说，“这些变化并非随机，而是系统性的，并且是振动偏移的直接指标。”

团队使用密度泛函理论（DFT）证实了他们的发现。

“DFT 是一种量子力学方法，依赖使用超级计算机来建模和研究 pi-pi 堆积等现象，”Hemmer 说道。

计算结果与直接测量结果几乎完美匹配。

“我们能够将 TRIP 测量结果与 DFT 计算关联并验证，”Altangerel 说。

但研究并未停留在初始实验或计算机模型上。研究人员将病毒蛋白暴露于几种抗病毒药物中，利用 TRIP 追踪哪种药物效果最好，以及他们的发现是否与已知的抗病毒效力相符。

令他们惊讶的是，一个清晰的模式浮现出来：抗病毒药物越强，振动特征信号就越强——这种关系在多次测量中均得到验证。

“这是一个令人兴奋的结果，”Altangerel 说，“一个量子尺度的相互作用预测了真实的生物学性能。”

尽管该应用领域还需要进一步研究和测试，但 Altangerel 和她的团队已为这项发明提交了美国专利申请，这标志着一个可能的里程碑，这项技术或将成为药物研发和发现领域的突破性工具。

“我们的工作不仅仅是引入了一项新技术，”Altangerel 说，“我们的目标是将其从一种技术转化为一种标准流程，以帮助加速下一代药物的研发和发现。”

巧思的构造

一台激光器、一个病毒和一台超级计算机，看似风马牛不相及。将它们结合在一起的，是 TRIP 的巧思妙想，以及德州农工大学量子科学与工程研究所更宏大的使命。

在这里，生物学家与量子物理学家并肩工作，化学家与应用物理学家合作，工程师与产业界和政府伙伴协同，每个人都为解决同一个挑战带来不同的视角。

“我们的合作和伙伴关系非常重要，”Altangerel 说，“没有所有参与者的洞见和支持，这类工作是不可能完成的。”

通过将蛋白质的内在旋律转化为可测量的信号，Altangerel 和她的团队将最安静的量子低语，变成了治愈疾病的蓝图和创新潜力的源泉。