Al empujar los límites del descubrimiento, a veces, incluso los científicos más experimentados pueden recibir una sacudida sorpresa por un resultado completamente impredecible.

Ese fue el caso del profesor y biofísico Stuart Lindsay de ASU Regents, quien ha pasado su carrera construyendo nuevos microscopios que se han convertido en los ojos de la nanotecnología y la próxima generación, lectores de ADN y aminoácidos rápidos y de bajo costo para hacer que la medicina de precisión sea una realidad.

En el proceso, El equipo de investigación de Lindsay ha aprendido un par de cosas sobre cómo se comportan las moléculas individuales cuando están atadas entre un par de electrodos. que es la base de cómo funcionan sus lectores de ADN.

La tecnología, llamado túnel de reconocimiento, enhebra moléculas individuales por un nanoporo como un hilo a través del ojo de una aguja.

Mientras bajan por la madriguera del nano-conejo, Los electrodos miden las propiedades eléctricas de estas moléculas simples de ADN o aminoácidos para determinar su identidad de secuencia.

Después de haber pasado una cantidad considerable de tiempo construyendo lectores de ADN y amino, la idea era probar las proteínas enteras. "El objetivo tecnológico aquí era, ¿Podemos utilizar nuestra tecnología para detectar proteínas enteras electrónicamente? "dijo Lindsay.

Pero, hace unos cuatro años, El equipo de investigación de Lindsay obtuvo un resultado de laboratorio que ni siquiera él podía creer.

Como ocurre con la mayoría de las sorpresas científicas, va en contra de toda la sabiduría convencional.

"Lo que hemos hecho aquí es utilizar nuestro túnel de reconocimiento para medir la conductancia eléctrica de proteínas intactas. La idea era:que si puede atrapar específicamente una proteína completa entre un par de electrodos, tendrías un lector electrónico sin etiquetas ".

El potencial de tener un dispositivo de nanotecnología lo suficientemente sensible como para identificar una sola molécula de proteína podría convertirse en una nueva y poderosa herramienta de diagnóstico en medicina.

Pero los bloques de construcción en cada celda, proteínas, se pensaba que se comportaban eléctricamente como gotas orgánicas inertes. Electrónicamente, se pensaba que actuaban como aislantes, como poner un trozo de plástico sobre un alambre de metal.

"Hay una gran cantidad de datos ocultos bajo la alfombra sobre las propiedades eléctricas de las proteínas, ", dijo Lindsay." Hay un campo que desestima estas afirmaciones. Hay otro campo que dice que las proteínas son conductores eléctricos increíbles. Y los dos nunca se encontrarán, al igual que la política estadounidense ".

Así que hace cuatro años uno de sus estudiantes graduados en ese momento, Yanan Zhao, dio el desafío de proteínas. Había atado una proteína entre dos electrodos, subió el voltaje, ¡y voilá! La proteína comenzó a actuar como un metal, con una conductancia electrónica salvaje y "notablemente alta".

"Si es verdad, es asombroso, "dijo Lindsay.

Ahora, después de años de intentar refutar los resultados él mismo y tratar de dar cuenta de todas las posibles vías o desvíos incorrectos, su grupo de investigación ha publicado sus nuevos hallazgos en la edición avanzada en línea de la revista Institute of Physics Nano Futuros .

"Lo que este documento está probando principalmente son todas las explicaciones alternativas de nuestros datos, y descartar todos los artefactos, "dijo Lindsay.

Los primeros resultados notables se realizaron con una tecnología que Lindsay ayudó a encabezar, llamado microscopía de túnel de barrido, o STM. Una proteína similar al pegamento, llamada integrina, que ayuda a que las células se unan y se ensamblen en tejidos y órganos, se utilizó en el experimento.

Extendiéndose desde la punta del STM había otro electrodo unido a una pequeña molécula, llamado ligando, que se une específicamente a la proteína integrina. Una vez que se mantiene en su lugar, el STM tiene un brazo de palanca y una sonda muy parecida a un lápiz óptico y una aguja en un plato giratorio para poner el ligando en contacto con su objetivo de integrina.

Aquí es donde comenzó la rareza.

"Simplemente no lo creí, porque lo que vio fueron pulsos gigantes de corriente cuando se sabía que la sonda estaba a una gran distancia de la superficie, "dijo Lindsay.

Esa brecha habría sido demasiado grande para que la electricidad fluyera a través del salto de electrones, o tunelización, como lo que ocurre con la tecnología de secuenciación de túnel de reconocimiento de Lindsay.

Lindsay se rascó la cabeza en vano tratando de coincidir con una teoría para explicar los fenómenos.

"Esos datos simplemente no se pueden explicar por túnel de electrones, "dijo Lindsay.

Un punto de inflexión clave fue Lindsay al descubrir el trabajo del biofísico teórico Gabor Vattay del Departamento de Física de Sistemas Complejos, Universidad Eötvös Loránd, Budapest, Hungría.

"Tuvimos estos datos durante varios años, luego leí este artículo de Gabor Vattay que involucraba una mecánica cuántica absolutamente asombrosa, ", dijo Lindsay." Resulta que los espacios de nivel de energía en un sistema cuántico indican si el sistema es un conductor o un aislante. Hay una firma especial de un estado equilibrado entre conductor y aislante, y Gabor Vattay miró un montón de proteínas, encontrándolos preparados en este punto crítico (y altamente improbable). Una excepción fue la seda de araña, que es una proteína estructural pura ".

Básicamente, la teoría sugiere que una fluctuación eléctrica puede hacer que una proteína se convierta en un gran conductor o un gran aislante. "Está listo para hacer esta cosa fluctuante, "dijo Lindsay.

"En nuestros experimentos, estábamos viendo este comportamiento extraño en esta enorme proteína conductora de electricidad, pero no es estático. Es algo dinámico ".

Los picos electrónicos se produjeron con una frecuencia creciente a medida que aumentaba el voltaje a través de la proteína. Y hay un umbral que cruzar. "Por debajo de cierto sesgo, es solo un aislante, pero cuando las fluctuaciones comienzan a hacer efecto, son enormes, "dijo Lindsay.

"Debido a esto, Me comuniqué con Gabor, y tuvo que utilizar algunas de las mejores supercomputadoras de Europa para analizar nuestra gran proteína. Básicamente, hay 3 curvas para la distribución de los espacios entre niveles de energía, uno correspondiente a un estado metálico, otro a un estado aislante, y tercio medio, correspondiente al estado crítico cuántico ".

"Bajo y he aquí que nuestra proteína está en el estado crítico cuántico si crees en la teoría".

Próximo, El equipo de Lindsay pudo fabricar un nanodispositivo para controlar con mayor precisión otra serie de experimentos, con un espacio cuidadosamente dimensionado para controlar la proteína y la cantidad de voltaje que se le puede aplicar.

"Y lo bueno de tener nuestros chips es que sabemos que podemos hacerlos lo suficientemente pequeños como para tener una sola molécula de proteína en el espacio".

Ese fue un gran cambio con respecto a los experimentos anteriores porque no sabían con precisión qué estaba sucediendo en la punta del STM.

"En el dispositivo, obtienes este hermoso encendido y apagado de la conductancia eléctrica de la proteína, "dijo Lindsay.

Sus resultados han demostrado que las fuerzas cuánticas fundamentales funcionan para explicar el comportamiento de la proteína integrina en los experimentos.

"Básicamente, hemos eliminado todas esas fuentes de "No creo en estos datos" y todavía estamos viendo este comportamiento extraño de esta enorme proteína conductora de electricidad. Todavía está ahí y es hermoso ".

También está cambiando la forma en que los científicos ven las propiedades eléctricas de las proteínas.

"Hay gente que está empezando a pensar en las proteínas como objetos de la mecánica cuántica, "dijo Lindsay.

Próximo, Lindsay quiere explorar otras proteínas de importancia médica y medir su comportamiento utilizando los nanodispositivos de estado sólido.

¿Es posible que las proteínas vitales para la salud y las enfermedades se comporten como metales? ¿O aisladores?

Una cosa es cierta, una forma completamente nueva de examinar el comportamiento de las proteínas ha abierto nuevas perspectivas científicas que anteriormente, Lindsay y muchos otros no creían que fuera posible.

"Creo que los datos ahora, pero es solo una proteína hasta ahora, "advierte Lindsay.

Y para Lindsay, un emprendedor en serie con exitosas empresas derivadas de ASU, puede tener un truco más bajo la manga para traducir un descubrimiento básico en el mercado.