Platform atom netral tampaknya menjanjikan untuk meningkatkan skala komputer kuantum. Untuk memecahkan beberapa tantangan terberat dalam fisika, kimia, dan bidang lainnya, komputer kuantum pada akhirnya akan membutuhkan qubit dalam jumlah yang sangat besar. Tidak seperti bit klasik yang hanya dapat mewakili 0 atau 1, qubit dapat menampung kedua keadaan secara bersamaan melalui (…)

RisalahPos.com Network

Para peneliti menunjukkan bahwa banyak protein mitokondria memasuki organel selama sintesis, dipandu oleh pola lipat dan sinyal struktural. Penemuan ini merevisi dekade model biokimia.

Mitokondria adalah organel yang paling dikenal sebagai “pembangkit tenaga listrik” karena mereka menghasilkan ATP (adenosin trifosfat), sumber energi utama untuk sebagian besar aktivitas seluler. Mereka berasal lebih dari satu miliar tahun yang lalu ketika sel archaeal leluhur membentuk kemitraan simbiosis dengan bakteri.

Lebih dari waktu evolusioner, mitokondria menjadi sangat diperlukan untuk metabolisme dan produksi energi, mentransfer sebagian besar bahan genetik mereka ke sel inang. Akibatnya, mereka sekarang bergantung pada inang untuk menghasilkan sebagian besar protein mereka, yang disintesis oleh ribosom di luar organel dan harus diangkut secara akurat ke mitokondria.

Para peneliti di Caltech kini telah mengungkapkan wawasan baru tentang bagaimana protein -protein ini dipindahkan dari ribosom dalam sitosol, cairan yang mengelilingi nukleus, ke mitokondria. Tanpa diduga, mereka menemukan bahwa jalur itu sangat dipengaruhi oleh mekanisme lipatan protein.

“Ternyata melokalisasi protein ke mitokondria melibatkan jalur kompleks berlapis-lapis yang terhubung dengan prinsip-prinsip biofisik lipatan protein,” kata Shu-Ou Shan, Profesor Kimia Altair di Caltech.

Menantang model tradisional

Selama bertahun -tahun, pandangan yang berlaku dalam biokimia adalah bahwa protein mitokondria diimpor hanya setelah terjemahan – proses di mana ribosom membangun protein dengan menghubungkan asam amino Bersama -sama menurut kode genetik – telah selesai sepenuhnya. Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan di SelShu-ou Shan dan timnya menantang model ini, melaporkan bahwa sebanyak 20 persen protein mitokondria diimpor secara terkotek. Dengan kata lain, protein ini mulai memasuki mitokondria saat mereka masih dirakit di atas ribosom.

“Setelah kami mengidentifikasi protein mitokondria ini yang diimpor secara cotranslasional, kami bertanya, ‘Apa yang istimewa tentang subset protein ini?’” Kata Zikun Zhu (PhD ’24), mantan mahasiswa pascasarjana Shan dan penulis utama makalah ini.

Protein yang sulit dilipat dan waktu impor

Para peneliti menemukan bahwa sifat yang menentukan protein ini adalah ukuran dan kompleksitas strukturalnya. Banyak dari mereka yang rumit secara topologis, mengandung residu-asam amino di dalam rantai-yang mungkin berjauhan secara berurutan tetapi harus bersatu untuk mencapai lipatan tiga dimensi yang benar. “Itu menjadi proses yang jauh lebih sulit daripada hanya melipat interaksi antara residu tetangga,” catat Shan.

Akibatnya, sistem untuk impor cotranslasional ke dalam mitokondria memprioritaskan protein yang sangat sulit untuk dilipat ini. Ini masuk akal jika Anda menganggap bahwa struktur besar pada akhirnya harus melalui saluran sempit pada membran mitokondria selama impor. “Akan ada masalah jika Anda membiarkan protein besar yang sangat kompleks ini menyelesaikan terjemahan dalam sitosol,” kata Shan. “Mereka akan terjebak dalam struktur yang tidak dapat diubah, dan kemudian Anda tidak hanya akan memblokir impor, Anda akan menyumbat semua saluran.”

Sinyal molekuler dan urutan penargetan

Tim menemukan bahwa hampir semua protein tersebut membawa urutan penargetan mitokondria, yang merupakan sinyal yang mengarahkan protein ke mitokondria. Namun, secara mengejutkan, ini saja tidak cukup untuk memberi tahu subset protein ini untuk disampaikan selama terjemahan. Zhu melakukan percobaan yang menunjukkan bahwa sistem menunggu sinyal molekul kedua untuk memindahkan protein ke mitokondria lebih awal. Sinyal itu datang dalam bentuk domain protein besar pertama, atau unit struktural yang dapat dilipat dalam urutan, yang muncul dari ribosom.

“Ini seperti meminta boarding pass terkunci di koper,” kata Zhu. “Urutan penargetan adalah boarding pass, tetapi untuk mengaksesnya, Anda memerlukan kode untuk membuka koper. Dalam hal ini, domain besar adalah kode itu.”

Para ilmuwan bahkan dapat mentransplantasikan contoh -contoh domain protein besar ke protein mitokondria lain yang biasanya diimpor setelah terjemahan dan menunjukkan bahwa domain memang berfungsi sebagai sinyal yang dapat ditransfer yang mampu mengubah protein untuk diimpor selama terjemahan.

“Penargetan translasi ke mitokondria ternyata benar -benar berbeda dari penargetan ke organel lain,” kata Zhu. “Ke depan, akan menyenangkan untuk mengungkap lebih banyak detail mekanistik dan, pada akhirnya, untuk memanipulasi waktu impor protein mitokondria. Ini tidak hanya akan membantu kita memahami mengapa sel -sel berevolusi jalur penargetan yang canggih untuk protein mitokondria tetapi juga membuka pintu ke aplikasi terapeutik yang potensial.”

Referensi: “Prinsip Impor Protein Mitokondria Cotranslasional” oleh Zikun Zhu, Saurav Mallik, Taylor A. Stevens, Riming Huang, Emmanuel D. Levy dan Shu-Ou Shan, 11 Agustus 2025, Sel.
Doi: 10.1016/j.cell.2025.07.021

Pekerjaan ini didukung oleh Institut Kesehatan Nasional Hibah R35 GM136321 kepada S.-OS dan Howard Hughes Medical Institute melalui hibah Freeman Hrabowski Scholar kepada Rebecca Voorhees. EDL mengakui dukungan dari European Research Council (ERC) di bawah Program Penelitian dan Inovasi Horizon 2020 Uni Eropa (Perjanjian Hibah no. 819318), oleh Organisasi Program Sains Perbatasan Manusia (Ref. RGP0016/2022), dan oleh Israel Science Foundation (hibah no. 1452/18).

Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.

Caltech’s Icares Bandage Sampel Cairan dan melacak biomarker luka untuk mendeteksi infeksi lebih awal dan memprediksi hasil penyembuhan. Profesor Caltech of Medical Engineering Wei Gao dan timnya sedang mengembangkan perban pintar generasi berikutnya-“laboratorium pada kulit”-yang dapat membantu pasien dan perawat memantau luka kronis, memberikan perawatan, dan mempercepat penyembuhan. Dirancang untuk pemotongan, sayatan, goresan, dan (…)

RisalahPos.com Network

Sensor keringat bertenaga surya yang dikembangkan di Caltech menggunakan sel surya perovskit sebagai energi, sehingga memungkinkan pemantauan kesehatan berkelanjutan dalam kondisi dalam ruangan. Sensor ini dapat melacak beberapa biomarker, sehingga menawarkan alat non-invasif untuk mengelola berbagai kondisi kesehatan dengan biaya yang efektif. Sensor Keringat yang Dapat Dipakai Keringat, seperti darah, mengandung informasi kesehatan yang berharga—tetapi mengumpulkannya jauh lebih tidak invasif. Konsep ini mendorong (…)

RisalahPos.com Network

Related

Perangkat optik baru Caltech, yang dikembangkan oleh algoritma dan dibuat melalui pencetakan 3D yang presisi, menawarkan manipulasi cahaya tingkat lanjut untuk aplikasi seperti augmented reality dan kamera. Para peneliti di Caltech telah mengembangkan teknologi inovatif yang “mengevolusikan” perangkat optik dan membuatnya menggunakan printer 3D khusus. Perangkat ini, terdiri dari metamaterial optik, mendapatkan sifat uniknya dari skala nanometer (…)

RisalahPos.com Network

Related

Sebuah metode baru menggunakan komputer klasik untuk memverifikasi keakuratan sistem kuantum yang kompleks.

Komputer kuantum menjanjikan untuk melampaui komputer klasik dalam memecahkan masalah kompleks di berbagai bidang seperti ilmu komputer, kedokteran, bisnis, kimia, dan fisika. Akan tetapi, mesin canggih ini belum mencapai potensi penuhnya, karena masih mengalami kesalahan bawaan. Para peneliti bekerja keras untuk meminimalkan kelemahan ini dan meningkatkan kinerja komputer kuantum.

Salah satu cara untuk mempelajari kesalahan ini adalah dengan menggunakan komputer klasik untuk mensimulasikan sistem kuantum dan memverifikasinya. ketepatanSatu-satunya kendala adalah bahwa seiring dengan meningkatnya kompleksitas mesin kuantum, menjalankan simulasi mesin tersebut pada komputer tradisional akan memakan waktu bertahun-tahun atau lebih lama.

Kini, para peneliti Caltech telah menemukan metode baru yang memungkinkan komputer klasik mengukur tingkat kesalahan mesin kuantum tanpa harus mensimulasikannya secara penuh. Tim tersebut menjelaskan metode tersebut dalam sebuah makalah di jurnal Alam.

“Di dunia yang sempurna, kami ingin mengurangi kesalahan ini. Itulah impian bidang kami,” kata Adam Shaw, penulis utama studi tersebut dan mahasiswa pascasarjana yang bekerja di laboratorium Manuel Endres, profesor fisika di Caltech. “Namun, sementara ini, kami perlu lebih memahami kesalahan yang dihadapi sistem kami, sehingga kami dapat berupaya menguranginya. Hal itu memotivasi kami untuk menemukan pendekatan baru dalam memperkirakan keberhasilan sistem kami.”

Simulator Kuantum dan Keterikatan

Dalam studi baru tersebut, tim tersebut melakukan eksperimen menggunakan sejenis komputer kuantum sederhana yang dikenal sebagai simulator kuantum. Simulator kuantum memiliki cakupan yang lebih terbatas daripada komputer kuantum dasar saat ini dan dirancang khusus untuk tugas-tugas tertentu. Simulator kelompok tersebut terdiri dari atom Rydberg yang dikontrol secara individual—atom dalam keadaan sangat tereksitasi—yang mereka manipulasi menggunakan laser.

Salah satu fitur utama simulator, dan semua komputer kuantum, adalah keterikatan—fenomena di mana atom-atom tertentu menjadi terhubung satu sama lain tanpa benar-benar bersentuhan. Ketika komputer kuantum bekerja pada suatu masalah, keterikatan terbentuk secara alami dalam sistem, menghubungkan atom-atom secara tak kasat mata. Tahun lalu, Endres, Shaw, dan rekan-rekannya mengungkapkan bahwa seiring bertambahnya keterikatan, koneksi tersebut menyebar secara kacau atau acak, yang berarti bahwa gangguan kecil menyebabkan perubahan besar dengan cara yang sama seperti kepakan sayap kupu-kupu secara teoritis dapat memengaruhi pola cuaca global.

Batasan Simulasi Klasik

Meningkatnya kompleksitas ini diyakini sebagai hal yang memberi komputer kuantum kemampuan untuk memecahkan beberapa jenis masalah jauh lebih cepat daripada komputer klasik, seperti masalah dalam kriptografi yang mengharuskan bilangan besar difaktorkan dengan cepat.

Namun, setelah mesin mencapai jumlah atom yang terhubung, atau qubit, mesin tersebut tidak dapat lagi disimulasikan menggunakan komputer klasik. “Ketika Anda melewati 30 qubit, semuanya menjadi kacau,” kata Shaw. “Semakin banyak qubit dan keterikatan yang Anda miliki, semakin rumit perhitungannya.”

Simulator kuantum dalam studi baru ini memiliki 60 qubit, yang menurut Shaw menempatkannya dalam rezim yang mustahil disimulasikan secara tepat. “Ini menjadi dilema. Kami ingin mempelajari rezim yang sulit bagi komputer klasik untuk bekerja, tetapi tetap mengandalkan komputer klasik tersebut untuk mengetahui apakah simulator kuantum kami benar.” Untuk menghadapi tantangan tersebut, Shaw dan rekan-rekannya mengambil pendekatan baru, menjalankan simulasi komputer klasik yang memungkinkan berbagai tingkat keterikatan. Shaw menyamakan ini dengan melukis dengan kuas dengan ukuran yang berbeda.

“Katakanlah komputer kuantum kita sedang menggambar Inilah para gembalanya sebagai analogi,” katanya. “Komputer kuantum dapat melukis dengan sangat efisien dan, secara teori, sempurna, tetapi membuat kesalahan yang mengaburkan cat di bagian lukisan. Ini seperti komputer kuantum yang tangannya gemetar. Untuk mengukur kesalahan ini, kami ingin komputer klasik kami mensimulasikan apa yang telah dilakukan komputer kuantum, tetapi Inilah para gembalanya akan terlalu rumit untuk itu. Seolah-olah komputer klasik hanya memiliki sikat atau rol raksasa dan tidak dapat menangkap detail yang lebih halus.

“Sebaliknya, kami meminta banyak komputer klasik untuk melukis hal yang sama dengan kuas yang semakin halus, lalu kami menyipitkan mata dan memperkirakan seperti apa jadinya jika kuas itu sempurna. Lalu kami menggunakannya untuk membandingkannya dengan komputer kuantum dan memperkirakan kesalahannya. Dengan banyak pemeriksaan silang, kami dapat menunjukkan bahwa ‘menyipitkan mata’ ini secara matematis benar dan memberikan jawaban yang cukup akurat.”

Para peneliti memperkirakan bahwa simulator kuantum 60-qubit mereka beroperasi dengan tingkat kesalahan 91 persen (atau tingkat akurasi 9 persen). Angka itu mungkin terdengar rendah, tetapi sebenarnya angka itu relatif tinggi untuk kondisi lapangan saat ini. Sebagai referensi, eksperimen Google tahun 2019, di mana tim mengklaim komputer kuantum mereka mengungguli komputer klasik, memiliki akurasi 0,3 persen (meskipun itu adalah jenis sistem yang berbeda dari yang ada dalam penelitian ini).

Shaw mengatakan: “Kami sekarang memiliki tolok ukur untuk menganalisis kesalahan dalam komputasi kuantum sistem. Artinya, saat kami melakukan penyempurnaan pada perangkat keras, kami dapat mengukur seberapa baik penyempurnaan tersebut bekerja. Ditambah lagi, dengan tolok ukur baru ini, kami juga dapat mengukur seberapa banyak keterikatan yang terlibat dalam simulasi kuantum, metrik lain dari keberhasilannya.”

Referensi: “Pembandingan negara-negara yang sangat terjerat pada skala 60atom simulator kuantum analog” oleh Adam L. Shaw, Zhuo Chen, Joonhee Choi, Daniel K. Mark, Pascal Scholl, Ran Finkelstein, Andreas Elben, Soonwon Choi dan Manuel Endres, 20 Maret 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07173-x

Penelitian ini didanai oleh National Science Foundation (sebagian melalui Institut Informasi Kuantum dan Materi Caltech, atau IQIM), Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan (DARPA), Kantor Penelitian Angkatan Darat, Akselerator Sistem Kuantum Departemen Energi AS, beasiswa pascadoktoral Troesh, Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Jerman Leopoldina, dan Institut Fisika Teoretis Walter Burke Caltech.