När man tänjer på upptäcktens gränser, ibland kan även de mest erfarna forskarna få ett överraskande ryck av ett helt oförutsägbart resultat.

Det var fallet för ASU Regents professor och biofysiker Stuart Lindsay, som har ägnat sin karriär åt att bygga nya mikroskop som har blivit nanoteknikens och nästa generations ögon, snabba och billiga DNA- och aminosyraläsare för att göra precisionsmedicin mer verklighet.

I processen, Lindsays forskargrupp har lärt sig en sak eller två om hur enstaka molekyler beter sig när de är bundna mellan ett par elektroder, vilket är grunden för hur hans DNA-läsare fungerar.

Teknologin, kallas igenkänningstunnelering, trär enstaka molekyler ner i en nanopor som en tråd genom nålsögat.

När de går ner i nano-kaninhålet, elektroder mäter de elektriska egenskaperna hos dessa enskilda DNA- eller aminosyramolekyler för att bestämma deras sekvensidentitet.

Efter att ha spenderat en avsevärd tid på att bygga DNA- och aminoläsare, tanken var att ge hela proteiner ett försök. "Det tekniska målet här var, kan vi använda vår teknik för att elektroniskt detektera hela proteiner, sa Lindsay.

Men, för ungefär fyra år sedan, Lindsays forskargrupp fick ett labbresultat som inte ens han riktigt kunde tro på.

Som med de flesta vetenskapliga överraskningar, det går emot all konventionell visdom.

"Vad vi har gjort här är att använda vår igenkänningstunnel för att mäta den elektriska konduktansen hos intakta proteiner. Tanken var, att om du specifikt kan fånga ett helt protein mellan ett par elektroder, du skulle ha en etikettfri elektronisk läsare."

Potentialen att ha en nanoteknologisk enhet som är tillräckligt känslig för att identifiera en enda proteinmolekyl kan bli ett kraftfullt nytt diagnostiskt verktyg inom medicin.

Men byggstenarna i varje cell, proteiner, ansågs bete sig elektriskt som inerta organiska blobbar. elektroniskt, de ansågs fungera som isolatorer, precis som att lägga en bit plast över en metalltråd.

"Det finns bara en stor mängd data som sopas under mattan om de elektriska egenskaperna hos proteiner, ", sade Lindsay. "Det finns ett läger som avfärdar dessa påståenden. Det finns ett annat läger som säger att proteiner är otroliga elektriska ledare. Och aldrig kommer de två att mötas, precis som amerikansk politik."

Så för fyra år sedan, en av hans doktorander vid den tiden, Yanan Zhao, gav proteinutmaningen. Han hade kopplat ett protein mellan två elektroder, höjde spänningen, och voila! Proteinet började fungera som en metall, med en vild och "anmärkningsvärt hög elektronisk konduktans."

"Om det är sant, det är fantastiskt, sa Lindsay.

Nu, efter år av att själv försöka motbevisa resultaten och försöka redogöra för varje potentiell fel väg eller omväg, hans forskargrupp har publicerat sina nya rön i den avancerade onlineupplagan av tidskriften Institute of Physics Nano Futures .

"Vad den här uppsatsen främst testar är alla alternativa förklaringar av våra data, och utesluter alla artefakter, sa Lindsay.

De första anmärkningsvärda resultaten utfördes med en teknik som Lindsay hjälpte till att leda, kallas skanningstunnelmikroskopi, eller STM. Ett limliknande protein, kallas integrin, som hjälper celler att hålla ihop och samlas till vävnader och organ, användes i experimentet.

En annan elektrod sträckte sig från spetsen av STM:en fäst vid en liten molekyl, kallas en ligand, som specifikt binder till integrinproteinet. När den väl hållits på plats, STM har en hävarm och sond ungefär som en penna och nål på en skivspelare för att få liganden i kontakt med dess integrinmål.

Det var här konstigheterna började.

"Jag trodde bara inte på det, eftersom det han såg var gigantiska strömpulser när sonden var känd för att vara ett stort avstånd från ytan, sa Lindsay.

Det gapet skulle ha varit för stort för att elektriciteten skulle kunna flöda igenom genom elektronhopp, eller tunnling, som det som händer med Lindsays igenkänningstunnelsekvenseringsteknik.

Lindsay kliade sig förgäves i huvudet och försökte matcha en teori för att förklara fenomenet.

"Denna data kan helt enkelt inte förklaras med elektrontunnel, sa Lindsay.

En viktig vändpunkt var Lindsay som avslöjade arbetet av den teoretiska biofysikern Gabor Vattay från Institutionen för fysik för komplexa system, Eötvös Loránd University, Budapest, Ungern.

"Vi hade dessa uppgifter i ett antal år, sedan läste jag detta papper av Gabor Vattay som involverade en del helt fantastisk kvantmekanik, ", sa Lindsay. "Det visar sig att energinivåavstånden i ett kvantsystem signalerar om systemet är en ledare eller isolator. Det finns en speciell signatur för en stat som står mellan att leda och isolera, och Gabor Vattay tittade på en massa proteiner, hitta dem redo på denna kritiska (och högst osannolika) punkt. Ett undantag var spindelsilke som är ett rent strukturellt protein.."

I grund och botten, teorin antyder att en elektrisk fluktuation kan kickstarta ett protein till att bli en bra ledare eller en bra isolator. "Det är bara redo att göra denna fluktuerande sak, sa Lindsay.

"I våra experiment, vi såg detta konstiga beteende i detta enorma protein som leder elektricitet, men det är inte statiskt. Det är en dynamisk sak."

De elektroniska topparna inträffade med ökande frekvens när du höjde spänningen över proteinet. Och det finns en tröskel att passera. "Under en viss fördom, det är bara en isolator, men när fluktuationerna börjar slå in, de är enorma, sa Lindsay.

"På grund av detta, Jag kontaktade Gabor, och han var tvungen att använda några av de bästa superdatorerna i Europa för att analysera vårt stora protein. I grund och botten, det finns 3 kurvor för fördelningen av energinivåavstånd, en som motsvarar ett metalliskt tillstånd, en annan till ett isolerande tillstånd, och mitten tredje, motsvarande det kvantkritiska tillståndet."

"Lågt och se, vårt protein är i det kvantkritiska tillståndet om man tror på teorin."

Nästa, Lindsays team kunde tillverka en nanoenhet för att bättre kontrollera en annan serie experiment, med ett noggrant dimensionerat gap för att kontrollera proteinet och mängden spänning som kan appliceras på det.

"Och det fina med att ha våra chips är att vi vet att vi kan göra dem tillräckligt små för att vi bara har en enda proteinmolekyl där i gapet."

Det var en stor förändring från tidigare experiment eftersom de inte visste exakt vad som pågick vid spetsen av STM.

"I enheten, du får denna vackra på- och avkoppling av proteinets elektriska konduktans, sa Lindsay.

Hans resultat har visat att grundläggande kvantkrafter är arbete för att förklara hur integrinproteinet betedde sig i experimenten.

"I grund och botten, vi har eliminerat alla dessa källor till "jag tror inte på den här informationen" och vi ser fortfarande det här konstiga beteendet hos detta enorma protein som leder elektricitet. Den finns kvar och den är vacker."

Det förbättrar också hur forskare ser på proteiners elektriska egenskaper.

"Det finns människor som börjar tänka på proteiner som kvantmekaniska föremål, sa Lindsay.

Nästa, Lindsay vill utforska andra medicinskt viktiga proteiner och mäta deras beteende med hjälp av solid-state nanoenheter.

Kan proteiner som är viktiga för hälsa och sjukdomar visa sig bete sig som metaller? Eller isolatorer?

En sak är säker, ett helt nytt sätt att undersöka proteinbeteende har öppnat nya vetenskapliga vyer som tidigare, Lindsay och många andra trodde inte var möjligt.

"Jag tror på uppgifterna nu, men det är bara ett protein än så länge, " varnar Lindsay.

Och för Lindsay, en serieentreprenör med framgångsrika ASU spin-out företag, han kanske har ytterligare ett trick i rockärmen för att översätta en grundläggande upptäckt till marknaden.