Heavy metal torden:Protein kan tændes for at lede elektricitet som et metal

Når man flytter grænserne for opdagelse, nogle gange kan selv de mest erfarne videnskabsmænd få et overraskende stød fra et fuldstændig uforudsigeligt resultat.

Det var tilfældet for ASU Regents' professor og biofysiker Stuart Lindsay, som har brugt sin karriere på at bygge nye mikroskoper, der er blevet nanoteknologiens og næste generations øjne, hurtige og billige DNA- og aminosyrelæsere for at gøre præcisionsmedicin mere til virkelighed.

I processen, Lindsays forskerhold har lært en ting eller to om, hvordan enkelte molekyler opfører sig, når de er bundet mellem et par elektroder, som er grundlaget for, hvordan hans DNA-læsere fungerer.

Teknologien, kaldet genkendelsestunneling, trækker enkelte molekyler ned ad en nanopore som en tråd gennem et nåleøje.

Mens de går ned i nano-kaninhullet, elektroder måler de elektriske egenskaber af disse enkelte DNA- eller aminosyremolekyler for at bestemme deres sekvensidentitet.

Efter at have brugt en del tid på at opbygge DNA- og aminolæsere, tanken var at give hele proteiner en chance. "Det teknologiske mål her var, kan vi bruge vores teknologi til elektronisk at detektere hele proteiner, " sagde Lindsay.

Men, for omkring fire år siden, Lindsays forskerhold fik et laboratorieresultat, som selv han ikke helt kunne tro på.

Som med de fleste videnskabelige overraskelser, det strider imod al konventionel visdom.

"Det, vi har gjort her, er at bruge vores genkendelsestunneling til at måle den elektriske ledningsevne af intakte proteiner. Tanken var, at hvis du specifikt kan fange et helt protein mellem et par elektroder, du ville have en etiketfri elektronisk læser."

Potentialet for at have en nanoteknologisk enhed, der er følsom nok til at identificere et enkelt proteinmolekyle, kan blive et stærkt nyt diagnostisk værktøj inden for medicin.

Men byggestenene i hver celle, proteiner, blev anset for at opføre sig elektrisk som inerte organiske klatter. elektronisk, de mentes at fungere som isolatorer, ligesom at lægge et stykke plastik over en metaltråd.

"Der er bare en stor mængde af fejet under tæppet data om de elektriske egenskaber af proteiner, " sagde Lindsay. "Der er en lejr, der afviser disse påstande. Der er en anden lejr, der siger, at proteiner er utrolige elektriske ledere. Og aldrig skal de to mødes, ligesom amerikansk politik."

Så for fire år siden, en af ​​hans kandidatstuderende på det tidspunkt, Yanan Zhao, gav proteinudfordringen. Han havde bundet et protein mellem to elektroder, skruet op for spændingen, og voila! Proteinet begyndte at fungere som et metal, med en vild og "bemærkelsesværdig høj elektronisk ledningsevne."

"Hvis det er sandt, det er fantastisk, " sagde Lindsay.

Nu, efter flere års forsøg på selv at modbevise resultaterne og forsøge at redegøre for enhver potentiel forkert vej eller omvej, hans forskergruppe har offentliggjort deres nye resultater i den avancerede online-udgave af tidsskriftet Institute of Physics Nano Futures .

"Det, som dette papir primært afprøver, er alle de alternative forklaringer af vores data, og udelukker alle artefakter, " sagde Lindsay.

De første bemærkelsesværdige resultater blev udført med en teknologi Lindsay hjalp med at stå i spidsen for, kaldet Scanning Tunnel Mikroskopi, eller STM. Et limlignende protein, kaldet et integrin, der hjælper celler med at klæbe sammen og samles til væv og organer, blev brugt i forsøget.

Ud fra spidsen af ​​STM var en anden elektrode fastgjort til et lille molekyle, kaldet en ligand, som specifikt binder til integrinproteinet. Når først det er holdt på plads, STM har en vægtstangsarm og sonde meget ligesom en stylus og nål på en drejeskive for at bringe liganden i kontakt med dens integrinmål.

Det var her, det mærkelige begyndte.

"Jeg troede bare ikke på det, fordi det, han så, var gigantiske strømimpulser, når sonden var kendt for at være en stor afstand fra overfladen, " sagde Lindsay.

Det hul ville have været for stort til, at elektriciteten kunne strømme igennem ved elektronhop, eller tunnelering, som det, der sker med Lindsays genkendelses-tunneling-sekventeringsteknologi.

Lindsay kløede sig forgæves i hovedet i et forsøg på at matche en teori for at forklare fænomenerne.

"De data kan simpelthen ikke forklares ved elektrontunneling, " sagde Lindsay.

Et vigtigt vendepunkt var Lindsay, der afslørede arbejdet fra den teoretiske biofysiker Gabor Vattay fra Institut for Fysik af komplekse systemer, Eötvös Loránd Universitet, Budapest, Ungarn.

"Vi havde disse data i en årrække, så læste jeg dette papir af Gabor Vattay, der involverede noget helt fantastisk kvantemekanik, " sagde Lindsay. "Det viser sig, at energiniveauafstande i et kvantesystem signalerer, om systemet er en leder eller isolator. Der er en særlig signatur af en stat, der står mellem at lede og isolere, og Gabor Vattay så på en masse proteiner, finde dem i balance på dette kritiske (og højst usandsynlige) punkt. En undtagelse var edderkoppesilke, som er et rent strukturelt protein.."

I bund og grund, teorien antyder, at en elektrisk udsving kan kickstarte et protein til at blive en god leder eller en god isolator. "Den er bare klar til at gøre denne fluktuerende ting, " sagde Lindsay.

"I vores eksperimenter, vi så denne mærkelige adfærd i dette enorme protein, der leder elektricitet, men det er ikke statisk. Det er en dynamisk ting."

De elektroniske spidser opstod med stigende frekvens, da du øgede spændingen over proteinet. Og der er en tærskel at krydse. "Under en vis skævhed, det er bare en isolator, men når udsvingene begynder at slå ind, de er store, " sagde Lindsay.

"På grund af dette, Jeg kontaktede Gabor, og han måtte bruge nogle af de bedste supercomputere i Europa til at analysere vores store protein. I bund og grund, der er 3 kurver for fordeling af energiniveauafstande, en, der svarer til en metallisk tilstand, en anden til en isolerende tilstand, og midterste tredjedel, svarende til den kvantekritiske tilstand."

"Lavt og se, vores protein er i den kvantekritiske tilstand, hvis du tror på teorien."

Næste, Lindsays team var i stand til at fremstille en nanoenhed til mere fint at kontrollere en anden række eksperimenter, med et omhyggeligt dimensioneret mellemrum for at kontrollere proteinet og mængden af ​​spænding, der kan påføres det.

"Og det gode ved at have vores chips er, at vi ved, at vi kan gøre dem små nok til, hvor vi bare har et enkelt proteinmolekyle der i mellemrummet."

Det var en stor ændring i forhold til tidligere eksperimenter, fordi de ikke vidste præcist, hvad der foregik ved spidsen af ​​STM.

"I enheden, du får denne smukke til- og frakobling af proteinets elektriske ledningsevne, " sagde Lindsay.

Hans resultater har vist, at fundamentale kvantekræfter er arbejde for at forklare, hvordan integrinproteinet opførte sig i eksperimenterne.

"I bund og grund, vi har elimineret alle disse kilder til "Jeg tror ikke på disse data", og vi ser stadig denne underlige opførsel af dette enorme protein, der leder elektricitet. Den er der stadig, og den er smuk."

Det øger også den måde, forskerne ser på proteiners elektriske egenskaber.

"Der er mennesker, der begynder at tænke på proteiner som kvantemekaniske objekter, " sagde Lindsay.

Næste, Lindsay ønsker at udforske andre medicinsk vigtige proteiner og måle deres adfærd ved hjælp af solid-state nanoenheder.

Kan proteiner, der er afgørende for sundhed og sygdom, vise sig at opføre sig som metaller? Eller isolatorer?

En ting er sikkert, en helt ny måde at undersøge proteinadfærd på har åbnet op for nye videnskabelige udsigter, som tidligere, Lindsay og mange andre troede ikke var muligt.

"Jeg tror på dataene nu, men det er kun ét protein indtil videre, " advarer Lindsay.

Og for Lindsay, en serieiværksætter med succesfulde ASU spin-out virksomheder, han har måske endnu et trick i ærmet for at oversætte en grundlæggende opdagelse til markedspladsen.