Al superar los límites del descubrimiento, a veces incluso los científicos más experimentados pueden recibir una sacudida sorpresa de un resultado completamente impredecible.
Ese fue el caso del profesor y biofísico de regentes de ASU, Stuart Lindsay, quien pasó su carrera construyendo nuevos microscopios que se han convertido en los ojos de la nanotecnología y los lectores de ADN y aminoácidos de próxima generación, rápidos y de bajo costo para hacer medicina de precisiónmás de una realidad.
En el proceso, el equipo de investigación de Lindsay ha aprendido una o dos cosas sobre cómo se comportan las moléculas individuales cuando están unidas entre un par de electrodos, que es la base de cómo funcionan sus lectores de ADN.
La tecnología, llamada túnel de reconocimiento, ensarta moléculas individuales en un nanoporo como un hilo a través del ojo de una aguja.
A medida que descienden por el agujero del nano-conejo, los electrodos miden las propiedades eléctricas de estas moléculas únicas de ADN o aminoácidos para determinar su identidad de secuencia.
Después de pasar una cantidad considerable de tiempo construyendo lectores de ADN y aminoácidos, la idea era probar proteínas enteras. "El objetivo tecnológico aquí era, ¿podemos usar nuestra tecnología para detectar electrónicamente proteínas enteras", dijo Lindsay.
Pero, hace unos cuatro años, el equipo de investigación de Lindsay obtuvo un resultado de laboratorio que incluso él no podía creer.
Como con la mayoría de las sorpresas científicas, va en contra de toda la sabiduría convencional.
"Lo que hemos hecho aquí es usar nuestro túnel de reconocimiento para medir la conductancia eléctrica de las proteínas intactas. La idea era que si se podía atrapar específicamente una proteína completa entre un par de electrodos, tendría una etiqueta libre de etiquetaslector electrónico "
El potencial de tener un dispositivo de nanotecnología lo suficientemente sensible como para identificar una sola molécula de proteína podría convertirse en una nueva herramienta de diagnóstico poderosa en medicina.
Pero se creía que los bloques de construcción en cada célula, las proteínas, se comportaban eléctricamente como gotas orgánicas inertes. Electrónicamente, se pensaba que actuaban como aislantes, al igual que poner un trozo de plástico sobre un alambre de metal
"Hay una gran cantidad de datos ocultos sobre las propiedades eléctricas de las proteínas", dijo Lindsay. "Hay un campamento que rechaza estas afirmaciones. Hay otro campamento que dice que las proteínas son conductores eléctricos increíbles. Y nuncalos dos se encontrarán, al igual que la política estadounidense ".
Hace cuatro años, uno de sus estudiantes de posgrado en ese momento, Yanan Zhao, dio el desafío de la proteína. ¡Había atado una proteína entre dos electrodos, subió el voltaje y listo! La proteína comenzó a funcionar como un metal, conuna conductancia electrónica salvaje y "notablemente alta".
"Si es verdad, es asombroso", dijo Lindsay.
Ahora, después de años de tratar de refutar los resultados él mismo y tratar de dar cuenta de cada posible camino o desvío equivocado, su grupo de investigación ha publicado sus nuevos hallazgos en la edición avanzada en línea de la revista del Instituto de Física Nano Futuros .
"Lo que este documento está probando principalmente son todas las explicaciones alternativas de nuestros datos y descarta todos los artefactos", dijo Lindsay.
Los primeros resultados notables se realizaron con una tecnología que Lindsay ayudó a la punta de lanza, llamada Scanning Tunnel Microscopy, o STM. En el experimento se usó una proteína similar al pegamento, llamada integrina, que ayuda a las células a unirse y ensamblarse en los tejidos y órganos..
Extendiéndose desde la punta del STM había otro electrodo unido a una molécula pequeña, llamada 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 y una aguja.un plato giratorio para poner el ligando en contacto con su objetivo de integrina.
Aquí es donde comenzó la rareza.
"Simplemente no lo creía, 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 la tunelización, como ocurre con la tecnología de secuenciación de túneles de reconocimiento de Lindsay.
Lindsay se rascó la cabeza en vano tratando de igualar una teoría para explicar los fenómenos.
"Esos datos simplemente no pueden explicarse mediante un túnel electrónico", dijo Lindsay.
Un punto de inflexión clave fue que Lindsay descubrió 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 documento de Gabor Vattay que involucraba una mecánica cuántica absolutamente sorprendente", dijo Lindsay. "Resulta que las separaciones del nivel de energía en una señal del sistema cuántico si el sistema esun conductor o aislante. Hay una firma especial de un estado equilibrado entre la conducción y el aislamiento, y Gabor Vattay observó un montón de proteínas y las encontró en este punto crítico y altamente improbable. Una excepción fue la seda de araña, que es unproteína 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 gran proteína que conduce electricidad, pero no es estática. Es algo dinámico".
Los picos electrónicos ocurrieron con una frecuencia cada vez mayor a medida que aumentaba el voltaje a través de la proteína. Y hay un umbral para cruzar. "Debajo de un cierto sesgo, es solo un aislante, pero cuando las fluctuaciones comienzan a aumentar, son enormes".dijo Lindsay.
"Debido a esto, me puse en contacto con Gabor, y tuvo que usar algunas de las mejores supercomputadoras de Europa para analizar nuestra proteína grande. Básicamente, hay 3 curvas para la distribución de espaciamientos de nivel de energía, una correspondiente a un estado metálico,otro a un estado aislante, y el tercio medio, correspondiente al estado crítico cuántico "
"He aquí que nuestra proteína está en el estado crítico cuántico si crees en la teoría"
Luego, el equipo de Lindsay pudo fabricar un nanodispositivo para controlar más finamente 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 allí en la brecha".
Eso fue un gran cambio con respecto a los experimentos anteriores porque no sabían exactamente qué estaba pasando 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 son un trabajo para explicar la forma en que la proteína integrina se comportaba en los experimentos.
"Básicamente, hemos eliminado todas esas fuentes de" No creo en estos datos "y todavía estamos viendo este comportamiento extraño de esta gran proteína conductora de electricidad. Todavía está ahí y es hermosa".
También está cambiando la forma en que los científicos ven las propiedades eléctricas de las proteínas.
"Hay personas que comienzan a pensar en las proteínas como objetos de mecánica cuántica", dijo Lindsay.
A continuación, Lindsay quiere explorar otras proteínas médicamente importantes y medir su comportamiento utilizando los nanodispositivos de estado sólido.
¿Podrían las proteínas vitales para la salud y la enfermedad comportarse como metales? ¿O aislantes?
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 en los datos ahora, pero hasta ahora es solo una proteína", advierte Lindsay.
Y para Lindsay, un emprendedor en serie con exitosas empresas de spin-out de ASU, puede tener un truco más bajo la manga para traducir un descubrimiento básico en el mercado.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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