Quando si spingono i confini della scoperta, a volte anche gli scienziati più esperti possono ricevere una scossa a sorpresa da un risultato completamente imprevedibile.

Questo è stato il caso del professore e biofisico dell'ASU Regents Stuart Lindsay, che ha trascorso la sua carriera costruendo nuovi microscopi che sono diventati gli occhi della nanotecnologia e della prossima generazione, lettori di DNA e aminoacidi rapidi ed economici per rendere la medicina di precisione più una realtà.

Nel processo, Il team di ricerca di Lindsay ha imparato una o due cose su come si comportano le singole molecole quando sono legate tra una coppia di elettrodi, che è il fondamento di come funzionano i suoi lettori di DNA.

La tecnologia, chiamato tunneling di riconoscimento, infila singole molecole lungo un nanoporo come un filo attraverso la cruna di un ago.

Mentre scendono nella tana del nano-coniglio, gli elettrodi misurano le proprietà elettriche di queste singole molecole di DNA o amminoacidi per determinarne l'identità di sequenza.

Avendo trascorso una notevole quantità di tempo a costruire lettori di DNA e aminoacidi, l'idea era di provare le proteine ​​intere. "L'obiettivo tecnologico qui era, possiamo usare la nostra tecnologia per rilevare elettronicamente proteine ​​intere, " disse Lindsay.

Ma, circa quattro anni fa, Il team di ricerca di Lindsay ha ottenuto un risultato di laboratorio a cui nemmeno lui riusciva a credere.

Come per la maggior parte delle sorprese scientifiche, va contro ogni saggezza convenzionale.

"Quello che abbiamo fatto qui è usare il nostro tunneling di riconoscimento per misurare la conduttanza elettrica delle proteine ​​intatte. Il pensiero era, che se riesci a intrappolare specificamente un'intera proteina tra un paio di elettrodi, avresti un lettore elettronico senza etichette."

Il potenziale di disporre di un dispositivo nanotecnologico sufficientemente sensibile da identificare una singola molecola proteica potrebbe diventare un nuovo potente strumento diagnostico in medicina.

Ma i mattoni in ogni cellula, proteine, si pensava che si comportassero elettricamente come bolle organiche inerti. elettronicamente, si pensava fungessero da isolanti, proprio come mettere un pezzo di plastica su un filo di metallo.

"C'è solo una grande quantità di dati spazzati sotto il tappeto sulle proprietà elettriche delle proteine, " ha detto Lindsay. "C'è un campo che respinge queste affermazioni. C'è un altro campo che dice che le proteine ​​sono incredibili conduttori elettrici. E mai i due si incontreranno, proprio come la politica americana".

Quindi quattro anni fa, uno dei suoi dottorandi dell'epoca, Yanan Zhao, ha dato la sfida proteica. Aveva legato una proteina tra due elettrodi, alzato il voltaggio, e voilà! La proteina ha iniziato a funzionare come un metallo, con una conduttanza elettronica selvaggia e "notevolmente alta".

"Se è vero, è fantastico, " disse Lindsay.

Ora, dopo anni passati a cercare di confutare i risultati da solo e a cercare di spiegare ogni potenziale strada o deviazione sbagliata, il suo gruppo di ricerca ha pubblicato le sue nuove scoperte nell'edizione online avanzata della rivista Institute of Physics Nano Futures .

"Ciò che questo documento sta principalmente testando sono tutte le spiegazioni alternative dei nostri dati, ed escludendo tutti gli artefatti, " disse Lindsay.

I primi risultati notevoli sono stati ottenuti con una tecnologia che Lindsay ha aiutato a puntare, chiamata microscopia a scansione a tunnel, o STM. Una proteina simile alla colla, chiamata integrina, che aiuta le cellule ad aderire e ad assemblarsi in tessuti e organi, è stato utilizzato nell'esperimento.

Dalla punta dell'STM si estendeva un altro elettrodo attaccato a una piccola molecola, chiamato un ligando, che si lega specificamente alla proteina integrina. Una volta tenuto in posizione, l'STM ha un braccio di leva e una sonda molto simile a uno stilo e un ago su un giradischi per portare il ligando a contatto con il suo bersaglio integrina.

È qui che è iniziata la stranezza.

"Solo non ci credevo, perché ciò che vide erano giganteschi impulsi di corrente quando si sapeva che la sonda era a grande distanza dalla superficie, " disse Lindsay.

Quel divario sarebbe stato troppo grande perché l'elettricità potesse fluire attraverso il salto di elettroni, o tunnel, come ciò che accade con la tecnologia di sequenziamento del tunneling di riconoscimento di Lindsay.

Lindsay si grattò invano la testa cercando di abbinare una teoria per spiegare i fenomeni.

"Quei dati semplicemente non possono essere spiegati dal tunneling elettronico, " disse Lindsay.

Un punto di svolta chiave è stata la scoperta da parte di Lindsay del lavoro del biofisico teorico Gabor Vattay del Dipartimento di Fisica dei Sistemi Complessi, Università Eötvös Loránd, Budapest, Ungheria.

"Abbiamo avuto questi dati per un certo numero di anni, poi ho letto questo articolo di Gabor Vattay che riguardava una meccanica quantistica assolutamente sorprendente, " ha detto Lindsay. "Si scopre che le distanze tra i livelli di energia in un sistema quantistico segnalano se il sistema è un conduttore o un isolante. C'è una firma speciale di uno stato in bilico tra conduttore e isolante, e Gabor Vattay guardò un mucchio di proteine, trovandoli in bilico in questo punto critico (e altamente improbabile). Un'eccezione era la seta di ragno che è una proteina strutturale pura.."

Fondamentalmente, la teoria suggerisce che una fluttuazione elettrica può avviare una proteina in un grande conduttore o un grande isolante. "È solo pronto a fare questa cosa fluttuante, " disse Lindsay.

"Nei nostri esperimenti, stavamo vedendo questo strano comportamento in questa enorme proteina che conduce elettricità, ma non è statico. È una cosa dinamica".

I picchi elettronici si sono verificati con una frequenza crescente man mano che aumentavi la tensione attraverso la proteina. E c'è una soglia da varcare. "Al di sotto di un certo pregiudizio, è solo un isolante, ma quando le fluttuazioni iniziano a farsi sentire, sono enormi, " disse Lindsay.

"A causa di ciò, Ho contattato Gabor, e ha dovuto usare alcuni dei migliori supercomputer in Europa per analizzare la nostra grande proteina. Fondamentalmente, ci sono 3 curve per la distribuzione delle distanze dei livelli energetici, uno corrispondente a uno stato metallico, un altro a uno stato isolante, e terzo medio, corrispondente allo stato critico quantistico."

"Basso ed ecco la nostra proteina è nello stato critico quantistico se credi alla teoria".

Prossimo, Il team di Lindsay è stato in grado di fabbricare un nanodispositivo per controllare più finemente un'altra serie di esperimenti, con un gap accuratamente dimensionato per controllare la proteina e la quantità di tensione che può essere applicata ad essa.

"E la cosa bella di avere i nostri chip è che sappiamo che possiamo renderli abbastanza piccoli da avere solo una singola molecola proteica lì nello spazio".

Questo è stato un grande cambiamento rispetto ai precedenti esperimenti perché non sapevano esattamente cosa stesse succedendo sulla punta dell'STM.

"Nel dispositivo, ottieni questa bellissima attivazione e disattivazione della conduttanza elettrica della proteina, " disse Lindsay.

I suoi risultati hanno dimostrato che le forze quantistiche fondamentali servono a spiegare il comportamento della proteina integrina negli esperimenti.

"Fondamentalmente, abbiamo eliminato tutte quelle fonti di "non credo a questi dati" e stiamo ancora vedendo questo strano comportamento di questa enorme proteina che conduce elettricità. C'è ancora ed è bellissimo".

Sta anche sconvolgendo il modo in cui gli scienziati vedono le proprietà elettriche delle proteine.

"Ci sono persone che stanno cominciando a pensare alle proteine ​​come oggetti di meccanica quantistica, " disse Lindsay.

Prossimo, Lindsay vuole esplorare altre proteine ​​importanti dal punto di vista medico e misurare il loro comportamento utilizzando i nanodispositivi a stato solido.

Le proteine ​​vitali per la salute e le malattie potrebbero comportarsi come i metalli? O isolanti?

Una cosa è certa, un modo completamente nuovo di esaminare il comportamento delle proteine ​​ha aperto nuove prospettive scientifiche che in precedenza, Lindsay e molti altri non pensavano fosse possibile.

"Credo che i dati ora, ma finora è solo una proteina, " avverte Lindsay.

E per Lindsay, un imprenditore seriale con aziende spin-out ASU di successo, potrebbe avere un altro asso nella manica per tradurre una scoperta di base nel mercato.