Phát hiện bất ngờ: Protein có thể dẫn điện

Protein – những viên gạch cấu tạo nên tế bào, thường được xem là một chất trơ. Tuy nhiên, các nhà khoa học vừa phát hiện ra một loại protein có chức năng đáng kinh ngạc: dẫn điện.

Nếu phát hiện này được nghiên cứu kĩ càng và đưa vào sử dụng, chúng ta sẽ có một công cụ chẩn đoán đầy hiệu quả dùng vào mục đích y tế. Nó có khả năng xác định các phân tử protein đơn lẻ với một dòng điện nhỏ.

Nghiên cứu đã được thực hiện ròng rã trong bốn năm trời bởi các nhà nghiên cứu thuộc Trường Đại học Arizona State. Họ đã dày công kiểm tra đi kiểm tra lại công việc của mình, đưa ra nhiều giả thuyết khác nhau và tìm lời giải thích cho tất cả. Cuối cùng họ đi đến kết luận rằng, họ thực sự đã tìm được một loại protein có thể dẫn điện.

Tiến sỹ Stuart Lindsay, Trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: "Nếu những gì chúng tôi nghĩ là đúng, đây sẽ là một bất ngờ lớn. Nghiên cứu của chúng tôi chủ yếu kiểm tra các giả thuyết trong dữ liệu và loại bỏ tất cả những gì được coi là sai sự thật”.

Đầu tiên, nhà nghiên cứu Lindsay và nhóm của ông phát triển bộ phận đọc các DNA nhỏ và axit amino. Thiết bị đọc này có thể ngăn cách các phân tử riêng lẻ giữa các điện cực – đây là công nghệ được gọi là “đường hầm nhận dạng” (recognition tunnelling).

Sau khi đạt được thành công với các phân tử đơn lẻ, nhóm nhà khoa học thực hiện một bước nghiên cứu xa hơn. Họ tự hỏi liệu với cùng một xung điện, toàn bộ protein có thể được nhận dạng không? Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một loại keo dính chứa protein alphaVbeta3 để nối hai điện cực lại với nhau, và phát hiện ra, loại protein này có khả năng dẫn điện cao.

Protein có thể dẫn điện. (Ảnh: TWStock).

Trong những năm sau đó, nhóm nghiên cứu đã cố gắng tìm lời giải thích phù hợp cho hiện tượng này. Có nhiều giả thuyết đưa ra, chẳng hạn như “bước nhảy điện tử” – điện tử có thể nhảy với một khoảng cách xa giữa các nguyên tử. Nhưng những lời giải thích này không phù hợp với dữ liệu thu được trong thí nghiệm.

Sau đó, ông Lindsay tình cờ đọc được tác phẩm của nhà vật lý sinh học lý thuyết Gabor Vattay ở Trường Đại học Loránd Eötvös ở Hungary. Vattay đã đưa ra một ý tưởng dựa trên cơ học lượng tử rằng: protein nằm ở trạng thái cân bằng giữa dẫn điện và cách điện.

Một dao động điện có thể kích hoạt một protein, biến nó trở thành chất dẫn điện hoặc cách điện, ông Vattay cho biết. Điều này dường như phù hợp với những thử nghiệm mà ông Lindsay cùng các đồng nghiệp đang tiến hành.

Nhà nghiên cứu Lindsay nói: "Trong những thí nghiệm của mình, chúng tôi quan sát được những hành vi kì quặc của một lượng protein khổng lồ có tính chất dẫn điện. Nó không tĩnh tại, mà năng động. Chúng ta đã biết rằng, bình thường protein là chất cách điện, nhưng khi có những dao động – chúng sẽ biến đổi”.

Các nhà nghiên cứu đưa ra ý tưởng: có 3 đường cong trong sự phân bố mức độ năng lượng của protein. Một đường cong thể hiện trạng thái kim loại hoặc dẫn điện, một đường cong thể hiện trạng thái cách điện, còn đường cong ở giữa nằm ở trạng thái lượng tử giữa hai tính chất dẫn điện và cách điện.

Với sự trợ giúp của Vattay và một số mô hình siêu máy tính, các nhà nghiên cứu đã có thể hợp nhất protein alphaVbeta3 với trạng thái lượng tử. Trong các thí nghiệm được chuẩn bị kỹ lưỡng sau đó, các nhà khoa học có thể tạo ra thiết bị bật, tắt chế độ dẫn điện của protein.

Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn đang rất thận trọng với những phát hiện của mình. Họ chỉ mới thử nghiệm với một loại protein và còn rất nhiều loại protein khác có tính chất tương tự mà họ vẫn chưa giải thích được. Hy vọng các nghiên cứu trong tương lai có thể lấp đầy những khoảng trống này.

"Về cơ bản, chúng tôi đã loại bỏ tất cả những nguồn không đáng tin cậy từ dữ liệu, và vẫn thấy một lượng lớn protein có tính năng dẫn điện. Chúng vẫn nằm ở đó và khoác lên mình một tính chất mới. Thật kì diệu!”, nhà nghiên cứu Lindsay nói.

Việc nắm bắt các tính chất của protein được cho là sẽ mở ra những ứng dụng tiềm năng trong y tế. Toàn bộ nghiên cứu đã được công bố trên tờ Nano Futures.