En repoussant les limites de la découverte, Parfois, même les scientifiques les plus expérimentés peuvent être surpris par un résultat complètement imprévisible.

Ce fut le cas du professeur et biophysicien de l'ASU Regents, Stuart Lindsay, qui a passé sa carrière à construire de nouveaux microscopes qui sont devenus les yeux de la nanotechnologie et de la prochaine génération, lecteurs d'ADN et d'acides aminés rapides et peu coûteux pour faire de la médecine de précision une réalité.

Dans le processus, L'équipe de recherche de Lindsay a appris une chose ou deux sur le comportement des molécules individuelles lorsqu'elles sont attachées entre une paire d'électrodes, qui est la base du fonctionnement de ses lecteurs d'ADN.

La technologie, appelé tunnel de reconnaissance, enfile des molécules uniques dans un nanopore comme un fil à travers le chas d'une aiguille.

Alors qu'ils descendent le trou du nano-lapin, des électrodes mesurent les propriétés électriques de ces molécules uniques d'ADN ou d'acides aminés pour déterminer leur identité de séquence.

Après avoir passé un temps considérable à créer des lecteurs d'ADN et d'amino, l'idée était d'essayer des protéines entières. "L'objectif technologique ici était, pouvons-nous utiliser notre technologie pour détecter électroniquement des protéines entières, " dit Lindsay.

Mais, il y a environ quatre ans, L'équipe de recherche de Lindsay a obtenu un résultat de laboratoire que même lui n'arrivait pas à croire.

Comme pour la plupart des surprises scientifiques, cela va à l'encontre de toutes les idées reçues.

"Ce que nous avons fait ici, c'est utiliser notre tunnel de reconnaissance pour mesurer la conductance électrique de protéines intactes. L'idée était, que si vous pouvez spécifiquement piéger une protéine entière entre une paire d'électrodes, vous auriez un lecteur électronique sans étiquette."

La possibilité de disposer d'un dispositif nanotechnologique suffisamment sensible pour identifier une seule molécule de protéine pourrait devenir un nouvel outil de diagnostic puissant en médecine.

Mais les blocs de construction dans chaque cellule, protéines, On pensait qu'ils se comportaient électriquement comme des taches organiques inertes. Electroniquement, ils étaient censés agir comme des isolants, tout comme mettre un morceau de plastique sur un fil métallique.

"Il y a juste une grande quantité de données balayées sous le tapis sur les propriétés électriques des protéines, " a déclaré Lindsay. " Il y a un camp qui rejette ces allégations. Il y a un autre camp qui dit que les protéines sont d'incroyables conducteurs électriques. Et jamais les deux ne se rencontreront, tout comme la politique américaine."

Il y a donc quatre ans, l'un de ses étudiants diplômés à l'époque, Yanan Zhao, a donné le défi de la protéine. Il avait attaché une protéine entre deux électrodes, augmenté la tension, et voila ! La protéine a commencé à fonctionner comme un métal, avec une conductance électronique sauvage et "remarquablement élevée".

"Si c'est vrai, c'est incroyable, " dit Lindsay.

Maintenant, après des années à essayer de réfuter les résultats lui-même et à essayer de justifier chaque mauvaise voie ou détour potentiel, son groupe de recherche a publié ses nouvelles découvertes dans l'édition en ligne avancée de la revue Institute of Physics Nano Futures .

"Ce que cet article teste principalement, ce sont toutes les explications alternatives de nos données, et exclure tous les artefacts, " dit Lindsay.

Les premiers résultats remarquables ont été obtenus avec une technologie que Lindsay a aidé à diriger, appelé Microscopie à Tunnel à Balayage, ou STM. Une protéine ressemblant à de la colle, appelée intégrine, qui aide les cellules à se coller les unes aux autres et à s'assembler en tissus et organes, a été utilisé dans l'expérience.

S'étendant de la pointe du STM se trouvait une autre électrode attachée à une petite molécule, appelé ligand, qui se lie spécifiquement à la protéine intégrine. Une fois maintenu en place, le STM a un bras de levier et une sonde un peu comme un stylet et une aiguille sur un plateau tournant pour mettre le ligand en contact avec sa cible d'intégrine.

C'est là que l'étrangeté a commencé.

"Je n'y croyais tout simplement pas, parce que ce qu'il a vu étaient des impulsions de courant géantes alors que la sonde était connue pour être à une grande distance de la surface, " dit Lindsay.

Cet écart aurait été trop grand pour que l'électricité puisse circuler par saut d'électrons, ou creusement de tunnels, comme ce qui se passe avec la technologie de séquençage de tunnel de reconnaissance de Lindsay.

Lindsay s'est gratté la tête en vain en essayant de faire correspondre une théorie pour expliquer les phénomènes.

"Ces données ne peuvent tout simplement pas être expliquées par l'effet tunnel d'électrons, " dit Lindsay.

Lindsay a découvert le travail du biophysicien théoricien Gabor Vattay du Département de physique des systèmes complexes, un tournant clé. Université Eötvös Loránd, Budapest, Hongrie.

"Nous avons eu ces données pendant plusieurs années, puis j'ai lu cet article de Gabor Vattay qui impliquait une mécanique quantique absolument incroyable, " a déclaré Lindsay. " Il s'avère que les espacements des niveaux d'énergie dans un système quantique indiquent si le système est un conducteur ou un isolant. Il y a une signature particulière d'un état entre conducteur et isolant, et Gabor Vattay a regardé un tas de protéines, les trouver en équilibre à ce point critique (et hautement improbable). Une exception était la soie d'araignée qui est une protéine structurelle pure. "

Essentiellement, la théorie suggère qu'une fluctuation électrique peut faire d'une protéine un excellent conducteur ou un excellent isolant. "Il est juste sur le point de faire cette chose fluctuante, " dit Lindsay.

« Dans nos expériences, nous voyions ce comportement étrange dans cette énorme protéine conductrice d'électricité, mais ce n'est pas statique. C'est quelque chose de dynamique."

Les pointes électroniques se sont produites avec une fréquence croissante à mesure que vous augmentiez la tension aux bornes de la protéine. Et il y a un seuil à franchir. "En dessous d'un certain biais, c'est juste un isolant, mais quand les fluctuations commencent à se manifester, ils sont énormes, " dit Lindsay.

"À cause de ce, J'ai contacté Gabor, et il a dû utiliser certains des meilleurs superordinateurs d'Europe pour analyser notre grosse protéine. Essentiellement, il y a 3 courbes pour la distribution des espacements des niveaux d'énergie, un correspondant à un état métallique, un autre à un état isolant, et tiers médian, correspondant à l'état critique quantique."

« Bas et voilà, notre protéine est dans un état critique quantique si vous en croyez la théorie. »

Prochain, L'équipe de Lindsay a pu fabriquer un nanodispositif pour contrôler plus finement une autre série d'expériences, avec un espace soigneusement dimensionné pour contrôler la protéine et la quantité de tension qui peut lui être appliquée.

"Et ce qui est bien avec nos puces, c'est que nous savons que nous pouvons les rendre suffisamment petites pour qu'il n'y ait qu'une seule molécule de protéine dans l'espace."

C'était un grand changement par rapport aux expériences précédentes parce qu'ils ne savaient pas précisément ce qui se passait à la pointe de la STM.

« Dans l'appareil, vous obtenez cette belle activation et désactivation de la conductance électrique de la protéine, " dit Lindsay.

Ses résultats ont démontré que les forces quantiques fondamentales sont à l'œuvre pour expliquer le comportement de la protéine intégrine dans les expériences.

"Essentiellement, nous avons éliminé toutes ces sources de "Je ne crois pas à ces données" et nous voyons toujours ce comportement étrange de cette énorme protéine conductrice d'électricité. C'est toujours là et c'est beau."

Cela bouleverse également la façon dont les scientifiques perçoivent les propriétés électriques des protéines.

"Il y a des gens qui commencent à considérer les protéines comme des objets de mécanique quantique, " dit Lindsay.

Prochain, Lindsay souhaite explorer d'autres protéines médicalement importantes et mesurer leur comportement à l'aide de nanodispositifs à l'état solide.

Des protéines vitales pour la santé et la maladie pourraient-elles se comporter comme des métaux ? Ou des isolants ?

Une chose est sûre, une toute nouvelle façon d'examiner le comportement des protéines a ouvert de nouvelles perspectives scientifiques qui, auparavant, Lindsay et beaucoup d'autres ne pensaient pas que c'était possible.

"Je crois que les données maintenant, mais ce n'est qu'une protéine jusqu'à présent, " prévient Lindsay.

Et pour Lindsay, un entrepreneur en série avec des entreprises dérivées d'ASU à succès, il a peut-être encore un tour dans son sac pour traduire une découverte fondamentale sur le marché.