Ao expandir os limites da descoberta, às vezes, mesmo o mais experiente dos cientistas pode obter um choque surpresa de um resultado completamente imprevisível.

Esse foi o caso do professor e biofísico Stuart Lindsay da ASU Regents, que passou sua carreira construindo novos microscópios que se tornaram os olhos da nanotecnologia e da próxima geração, Leitores de DNA e aminoácidos rápidos e de baixo custo para tornar a medicina de precisão mais uma realidade.

No processo, A equipe de pesquisa de Lindsay aprendeu uma ou duas coisas sobre como moléculas individuais se comportam quando amarradas entre um par de eletrodos, que é a base de como seus leitores de DNA funcionam.

A tecnologia, chamado tunelamento de reconhecimento, enfia moléculas únicas em um nanoporo como um fio através do buraco de uma agulha.

À medida que vão descendo a toca do nano-coelho, eletrodos medem as propriedades elétricas desse DNA único ou moléculas de aminoácidos para determinar sua identidade de sequência.

Depois de passar um tempo considerável construindo leitores de DNA e amino, a ideia era experimentar proteínas inteiras. "O objetivo tecnológico aqui era, podemos usar nossa tecnologia para detectar eletronicamente proteínas inteiras, "disse Lindsay.

Mas, cerca de quatro anos atrás, A equipe de pesquisa de Lindsay obteve um resultado de laboratório que nem ele conseguia acreditar.

Como acontece com a maioria das surpresas científicas, vai contra toda a sabedoria convencional.

“O que fizemos aqui foi usar nosso túnel de reconhecimento para medir a condutância elétrica de proteínas intactas. que se você puder capturar especificamente uma proteína inteira entre um par de eletrodos, você teria um leitor eletrônico sem etiqueta. "

O potencial de ter um dispositivo de nanotecnologia sensível o suficiente para identificar uma única molécula de proteína pode se tornar uma nova ferramenta de diagnóstico poderosa na medicina.

Mas os blocos de construção em cada célula, proteínas, foram pensados ​​para se comportar eletricamente como bolhas orgânicas inertes. Eletronicamente, foram pensados ​​para agir como isolantes, como colocar um pedaço de plástico sobre um fio de metal.

"Há apenas uma grande quantidade de dados varridos para baixo do tapete sobre as propriedades elétricas das proteínas, "disse Lindsay." Há um campo que rejeita essas alegações. Há outro campo que diz que as proteínas são condutores elétricos incríveis. E nunca os dois se encontrarão, assim como a política americana. "

Então, quatro anos atrás, um de seus alunos de graduação na época, Yanan Zhao, deu o desafio de proteína. Ele amarrou uma proteína entre dois eletrodos, aumentou a voltagem, e voila! A proteína começou a funcionar como um metal, com uma condutância eletrônica selvagem e "notavelmente alta".

"Se for verdade, é incrível, "disse Lindsay.

Agora, depois de anos tentando refutar os resultados por si mesmo e tentando contabilizar cada possível avenida ou desvio errado, seu grupo de pesquisa publicou suas novas descobertas na edição online avançada da revista Institute of Physics Nano Futuros .

"O que este artigo está testando principalmente são todas as explicações alternativas de nossos dados, e descartando todos os artefatos, "disse Lindsay.

Os primeiros resultados notáveis ​​foram obtidos com uma tecnologia que Lindsay ajudou a liderar, chamada Microscopia de Túnel de Varredura, ou STM. Uma proteína parecida com cola, chamado de integrina, que ajuda as células a se unirem e formarem tecidos e órgãos, foi usado no experimento.

Estendendo-se da ponta do STM estava outro eletrodo ligado a uma pequena molécula, chamado de ligante, que se liga especificamente à proteína integrina. Uma vez no lugar, o STM tem um braço de alavanca e uma sonda muito semelhante a uma caneta e agulha em uma plataforma giratória para colocar o ligante em contato com seu alvo de integrina.

É aqui que a estranheza começou.

"Eu simplesmente não acreditei, porque o que ele viu foram pulsos gigantescos de corrente quando a sonda era conhecida por estar a uma grande distância da superfície, "disse Lindsay.

Essa lacuna teria sido muito grande para a eletricidade fluir através do salto de elétrons, ou tunelamento, como o que ocorre com a tecnologia de sequenciamento de túnel de reconhecimento de Lindsay.

Lindsay coçou a cabeça em vão tentando combinar uma teoria para explicar o fenômeno.

"Esses dados simplesmente não podem ser explicados pelo tunelamento de elétrons, "disse Lindsay.

Um ponto de viragem fundamental foi Lindsay descobrindo o trabalho do biofísico teórico Gabor Vattay do Departamento de Física de Sistemas Complexos, Universidade Eötvös Loránd, Budapeste, Hungria.

"Tínhamos esses dados há vários anos, então li este artigo de Gabor Vattay que envolvia uma mecânica quântica absolutamente incrível, "disse Lindsay." Acontece que os espaçamentos dos níveis de energia em um sinal de sistema quântico se o sistema é um condutor ou isolante. Há uma assinatura especial de um estado equilibrado entre a condução e a isolação, e Gabor Vattay olhou para um monte de proteínas, encontrá-los equilibrados neste ponto crítico (e altamente improvável). Uma exceção foi a seda de aranha, que é uma proteína estrutural pura. "

Basicamente, a teoria sugere que uma flutuação elétrica pode dar o pontapé inicial de uma proteína para ser um grande condutor ou um grande isolante. "Ele está pronto para fazer essa coisa flutuante, "disse Lindsay.

"Em nossos experimentos, estávamos vendo um comportamento estranho nessa enorme proteína que conduz eletricidade, mas não é estático. É uma coisa dinâmica. "

Os picos eletrônicos ocorreram com frequência crescente conforme você aumentava a voltagem na proteína. E há um limite a ser cruzado. "Abaixo de um certo viés, é apenas um isolante, mas quando as flutuações começam a aparecer, eles são enormes, "disse Lindsay.

"Por causa disso, Entrei em contato com Gabor, e ele teve que usar alguns dos melhores supercomputadores da Europa para analisar nossa grande proteína. Basicamente, existem 3 curvas para a distribuição de espaçamentos de nível de energia, um correspondente a um estado metálico, outro para um estado isolante, e terço médio, correspondendo ao estado quântico crítico. "

"Baixa e eis que nossa proteína está no estado quântico crítico se você acredita na teoria."

Próximo, A equipe de Lindsay foi capaz de fabricar um nanodispositivo para controlar com mais precisão outra série de experimentos, com uma lacuna cuidadosamente dimensionada para controlar a proteína e a quantidade de voltagem que pode ser aplicada a ela.

"E o bom de ter nossos chips é que sabemos que podemos torná-los pequenos o suficiente para termos apenas uma única molécula de proteína na lacuna."

Essa foi uma grande mudança em relação aos experimentos anteriores, porque eles não sabiam exatamente o que estava acontecendo na ponta do STM.

"No dispositivo, você obtém essa bela ativação e desativação da condutância elétrica da proteína, "disse Lindsay.

Seus resultados demonstraram que as forças quânticas fundamentais funcionam para explicar a forma como a proteína integrina estava se comportando nos experimentos.

"Basicamente, eliminamos todas as fontes de "Não acredito nesses dados" e ainda estamos vendo esse comportamento estranho dessa enorme proteína que conduz eletricidade. Ainda está lá e é lindo. "

Também está mudando a forma como os cientistas estão vendo as propriedades elétricas das proteínas.

"Há pessoas que estão começando a pensar nas proteínas como objetos da mecânica quântica, "disse Lindsay.

Próximo, Lindsay quer explorar outras proteínas medicamente importantes e medir seu comportamento usando os nanodispositivos de estado sólido.

Será que proteínas vitais para a saúde e as doenças se comportam como metais? Ou isoladores?

Uma coisa é certa, uma maneira inteiramente nova de examinar o comportamento da proteína abriu novas perspectivas científicas que, anteriormente, Lindsay e muitos outros achavam que não era possível.

"Eu acredito nos dados agora, mas é apenas uma proteína até agora, "adverte Lindsay.

E para Lindsay, um empreendedor em série com empresas spin-out de sucesso da ASU, ele pode ter mais um truque na manga para traduzir uma descoberta básica no mercado.