Электризующая наука: новое исследование описывает проводимость через белки

Новое исследование показывает, что ферменты и другие белки в определенных условиях могут действовать как превосходные проводники электричества. Это открывает возможность встраивать их в электронные устройства, по сути «подключая удивительное химическое разнообразие ферментов прямо к компьютеру».

Белки как проводники

Раньше белки считались изоляторами. Теперь выяснилось, что их необычные физические свойства могут делать их чем-то средним между изолятором и проводником, возможно, из-за явления квантовой критичности.

Прирожденный считыватель

В эксперименте использовали ДНК-полимеразу — фермент, который копирует и ремонтирует ДНК в живых системах. Ученые смогли прикрепить её к электродам, используя связывающие химикаты биотин и стрептавидин. Когда оба электрода были функционализированы этим методом, наблюдались сильные сигналы проводимости, в 3–5 раз больше, чем с одним электродом.

Будущее секвенирования

Ключевая перспектива — использование ДНК-полимеразы для сверхбыстрого и точного секвенирования ДНК. Идея в том, чтобы считывать нуклеотиды по специфичным для каждого из четырёх оснований скачкам проводимости, которые возникают, когда фермент связывает и отпускает их.

Технические вызовы

Для реализации этой идеи предстоит решить ряд задач:

• Точное прикрепление фермента, не нарушающее его структуру и функцию.
• Отделение полезных сигналов проводимости от фонового шума (здесь помогают алгоритмы машинного обучения).
• Интеграция полимераз в изолированные чипы, где они будут жёстко зафиксированы.

Если эти барьеры будут преодолены, секвенирование может достичь скорости самой полимеразы — около сотни нуклеотидов в секунду. Разместив 10 000 таких молекул на чипе, можно будет прочитать весь геном человека менее чем за час.

Исследование открывает «ящик Пандоры» для изучения функции любого фермента в компьютерном чипе, что может привести к прорывам в биохимических сенсорах, промышленном производстве и медицинской диагностике.