Bij het verleggen van de grenzen van ontdekking, soms kunnen zelfs de meest ervaren wetenschappers een verrassende schok krijgen van een volledig onvoorspelbaar resultaat.

Dat was het geval voor ASU Regents' Professor en biofysicus Stuart Lindsay, die zijn carrière heeft besteed aan het bouwen van nieuwe microscopen die de ogen zijn geworden van nanotechnologie en de volgende generatie, snelle en goedkope DNA- en aminozuurlezers om precisiegeneeskunde meer realiteit te maken.

In het proces, Lindsay's onderzoeksteam heeft het een en ander geleerd over hoe afzonderlijke moleculen zich gedragen wanneer ze tussen een paar elektroden worden vastgemaakt. dat is de basis voor hoe zijn DNA-lezers werken.

De technologie, herkenningstunneling genoemd, draden enkele moleculen door een nanoporie als een draad door het oog van een naald.

Terwijl ze door het nano-konijnenhol gaan, elektroden meten de elektrische eigenschappen van deze enkele DNA- of aminozuurmoleculen om hun sequentie-identiteit te bepalen.

Na een aanzienlijke hoeveelheid tijd te hebben besteed aan het bouwen van DNA- en aminolezers, de gedachte was om hele eiwitten eens te proberen. "Het technologische doel hier was, kunnen we onze technologie gebruiken om hele eiwitten elektronisch te detecteren, ' zei Lindsay.

Maar, ongeveer vier jaar geleden, Lindsay's onderzoeksteam kreeg een laboratoriumresultaat dat zelfs hij niet helemaal kon geloven.

Zoals met de meeste wetenschappelijke verrassingen, het druist in tegen alle conventionele wijsheid.

"Wat we hier hebben gedaan, is onze herkenningstunneling gebruiken om de elektrische geleiding van intacte eiwitten te meten. De gedachte was:dat als je specifiek een heel eiwit tussen een paar elektroden kunt vangen, je zou een labelloze elektronische lezer hebben."

Het potentieel om een ​​nanotechnologie-apparaat te hebben dat gevoelig genoeg is om een ​​enkel eiwitmolecuul te identificeren, zou een krachtig nieuw diagnostisch hulpmiddel in de geneeskunde kunnen worden.

Maar de bouwstenen in elke cel, eiwitten, werden verondersteld zich elektrisch te gedragen als inerte organische klodders. elektronisch, men dacht dat ze als isolatoren werkten, net alsof je een stuk plastic over een metaaldraad legt.

"Er is gewoon een grote hoeveelheid onder het tapijt geveegde gegevens over de elektrische eigenschappen van eiwitten, " zei Lindsay. "Er is één kamp dat deze beweringen verwerpt. Er is nog een ander kamp dat zegt dat eiwitten ongelooflijke elektrische geleiders zijn. En nooit zullen de twee elkaar ontmoeten, net als de Amerikaanse politiek."

Dus vier jaar geleden een van zijn afstudeerders destijds, Yanan Zhao, gaf de eiwituitdaging. Hij had een eiwit tussen twee elektroden vastgebonden, verhoogde de spanning, en voila! Het eiwit begon te presteren als een metaal, met een wilde en "opmerkelijk hoge elektronische geleiding."

"Als het waar is, Het is geweldig, ' zei Lindsay.

Nutsvoorzieningen, na jaren van pogingen om de resultaten zelf te weerleggen en elke mogelijke verkeerde weg of omweg te verantwoorden, zijn onderzoeksgroep heeft hun nieuwe bevindingen gepubliceerd in de geavanceerde online editie van het tijdschrift Institute of Physics Nano-futures .

"Wat dit artikel voornamelijk test, zijn alle alternatieve verklaringen van onze gegevens, en alle artefacten uit te sluiten, ' zei Lindsay.

De eerste opmerkelijke resultaten werden behaald met een technologie die Lindsay hielp voorop te lopen, genaamd Scanning Tunnel Microscopie, of STM. Een lijmachtig eiwit, een integrine genoemd, dat helpt cellen aan elkaar te plakken en samen te voegen tot weefsel en organen, werd gebruikt in het experiment.

Vanaf de punt van de STM was een andere elektrode bevestigd aan een klein molecuul, een ligand genoemd, die specifiek bindt aan het integrine-eiwit. Eenmaal op zijn plaats gehouden, de STM heeft een hefboomarm en sonde net als een stylus en naald op een draaitafel om de ligand in contact te brengen met zijn integrine-doelwit.

Hier begon de gekte.

"Ik geloofde het gewoon niet, omdat wat hij zag enorme stroompulsen waren toen bekend was dat de sonde zich op grote afstand van het oppervlak bevond, ' zei Lindsay.

Die kloof zou te groot zijn geweest om de elektriciteit door te laten stromen door elektronen te hoppen, of tunnelen, zoals wat er gebeurt met Lindsay's herkenningstunneling-sequencingtechnologie.

Lindsay krabde tevergeefs op zijn hoofd in een poging een theorie te vinden om de verschijnselen te verklaren.

"Die gegevens kunnen eenvoudigweg niet worden verklaard door elektronentunneling, ' zei Lindsay.

Een belangrijk keerpunt was dat Lindsay het werk onthulde van theoretisch biofysicus Gabor Vattay van de afdeling Fysica van Complexe Systemen, Eötvös Loránd-universiteit, Boedapest, Hongarije.

"We hadden deze gegevens al een aantal jaren, toen las ik dit artikel van Gabor Vattay waarin een aantal absoluut verbazingwekkende kwantummechanica betrokken was, " zei Lindsay. "Het blijkt dat energieniveau-afstanden in een kwantumsysteem aangeven of het systeem een ​​geleider of een isolator is. Er is een speciale signatuur van een staat die balanceert tussen geleidend en isolerend, en Gabor Vattay keek naar een stel eiwitten, ze op dit kritieke (en hoogst onwaarschijnlijke) punt vinden. Een uitzondering was spinrag dat een puur structureel eiwit is.."

In principe, de theorie suggereert dat een elektrische fluctuatie een eiwit een kickstart kan geven om een ​​geweldige geleider of een geweldige isolator te worden. "Het is gewoon klaar om dit fluctuerende ding te doen, ' zei Lindsay.

"Bij onze experimenten we zagen dit vreemde gedrag in dit enorme eiwit dat elektriciteit geleidt, maar het is niet statisch. Het is een dynamisch iets."

De elektronische pieken kwamen met toenemende frequentie voor toen je de spanning over het eiwit verhoogde. En er is een drempel om over te gaan. "Onder een zekere vooringenomenheid, het is gewoon een isolator, maar wanneer de fluctuaties beginnen toe te slaan, ze zijn enorm, ' zei Lindsay.

"Daarom, Ik nam contact op met Gabor, en hij moest enkele van de beste supercomputers in Europa gebruiken om ons grote eiwit te analyseren. In principe, er zijn 3 curven voor de verdeling van energieniveau-afstanden, een die overeenkomt met een metallische staat, een ander naar een isolatortoestand, en middelste derde, overeenkomend met de kwantumkritische toestand."

"Low en zie, ons eiwit bevindt zich in de kwantumkritieke toestand als je de theorie gelooft."

Volgende, Lindsay's team was in staat om een ​​nano-apparaat te maken om een ​​andere reeks experimenten nauwkeuriger te controleren, met een zorgvuldig bemeten opening om het eiwit en de hoeveelheid spanning die erop kan worden toegepast te regelen.

"En het leuke van het hebben van onze chips is dat we weten dat we ze klein genoeg kunnen maken tot er nog maar één eiwitmolecuul in de opening zit."

Dat was een grote verandering ten opzichte van eerdere experimenten omdat ze niet precies wisten wat er aan de hand was op het puntje van de STM.

"In het apparaat je krijgt deze mooie aan- en uitschakeling van de elektrische geleiding van het eiwit, ' zei Lindsay.

Zijn resultaten hebben aangetoond dat fundamentele kwantumkrachten werken om de manier te verklaren waarop het integrine-eiwit zich in de experimenten gedroeg.

"In principe, we hebben al die bronnen van "Ik geloof deze gegevens niet" geëlimineerd en we zien nog steeds dit vreemde gedrag van dit enorme eiwit dat elektriciteit geleidt. Het is er nog steeds en het is prachtig."

Het verandert ook de manier waarop wetenschappers de elektrische eigenschappen van eiwitten bekijken.

"Er zijn mensen die eiwitten beginnen te zien als kwantummechanische objecten, ' zei Lindsay.

Volgende, Lindsay wil andere medisch belangrijke eiwitten onderzoeken en hun gedrag meten met behulp van de solid-state nanodevices.

Kunnen eiwitten die essentieel zijn voor gezondheid en ziekte zich als metalen gaan gedragen? Of isolatoren?

Een ding is zeker, een geheel nieuwe manier om eiwitgedrag te onderzoeken heeft nieuwe wetenschappelijke vergezichten geopend die eerder, Lindsay en vele anderen dachten dat het niet mogelijk was.

"Ik geloof dat de gegevens nu, maar het is tot nu toe maar één eiwit, ’ waarschuwt Lindsay.

En voor Lindsay, een serie-ondernemer met succesvolle spin-out bedrijven van ASU, hij heeft misschien nog een truc in petto om een ​​fundamentele ontdekking naar de markt te vertalen.