Stenåndende bakterier er elektronspindoktorer, viser undersøgelse

Elektroner spinder. Det er en grundlæggende del af deres eksistens. Nogle snurrer "op", mens andre spinder "ned". Forskere har vidst dette i omkring et århundrede, takket være kvantefysikken.

De har også vidst, at magnetiske felter kan påvirke retningen af ​​en elektrons kvantespin, vende den fra op til ned og omvendt. Og der skal ikke meget til:Selv en bakteriecelle kan gøre det.

Forskere ved USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences og Israels Weizmann Institute of Science har fundet ud af, at protein-"ledninger", der forbinder en bakteriecelle til en fast overflade, har tendens til at transmittere elektroner med et bestemt spin.

Denne evne til at udvælge en elektrons kvantespin kan have konsekvenser for brugen af ​​bakterier i den bioteknologiske industri og i den voksende indsats for at skabe bakteriebaserede energiceller, såvel som fremtidige elektroniske teknologier, de sagde.

Livet på klipperne

Ledet af USC Dornsifes Moh El-Naggar, professor i fysik og astronomi og kemi, og Ron Naaman fra Weizmann Institute, forskerne har studeret visse bakterier, der kan bruge faste overflader på samme måde som dyr bruger ilt til at trække vejret. I stedet for at dumpe elektroner genereret under metabolisme på inhalerede iltmolekyler, bakterierne sender elektronerne ned af specialiserede proteiner, der stikker ind i en ydre overflade.

"I modsætning til de fleste organismer, der er i stand til at bruge oxygen som elektronacceptor, " sagde USC Dornsife Senior Research Associate Sahand Pirbadian, "disse bakterier overfører elektronerne til et fast mineral eller, som de gør i vores laboratorium, til elektroder, der er uden for cellen."

Med hensyn til stofskiftet, de "ånder" mineralerne eller elektroderne.

For at nå den ydre overflade, elektronerne bliver ført gennem forskellige proteinmolekyler, der danner elektriske ledninger. Disse proteiner har magnetiske felter, der kan favorisere et bestemt spin, når elektronerne pendler igennem.

Forskere fandt, siger Pirbadian, at disse magnetiske felter er påvirket af en egenskab ved proteinerne kaldet "kiralitet".

Et par ord om chiralitet

Mange molekyler, især biologiske molekyler, vises i to versioner, hver et spejlbillede af den anden. Forskere kalder dette "kiralitet". Det ligner menneskehænder. Venstre og højre hånd har fire fingre og en tommelfinger, men de er ikke helt ens. De er begge hænder, men de er spejlbilleder af hinanden, orienteret i modsatte retninger. Molekyler kan være på samme måde, og faktisk videnskabsmænd omtaler chirale molekyler som enten venstrehåndede eller højrehåndede.

Et proteins venstre- eller højrehåndethed kan påvirke polariteten af ​​de magnetiske felter, som elektronerne oplever, når de bevæger sig gennem proteinet. Det er, hvad der sker med de elektroner, der rejser langs en proteintråd for at komme til ydersiden af ​​en stenåndende bakterie, ifølge forskerne.

"På det tidspunkt elektronerne krydser molekyltråden, flertallet ender med at have det samme kvantespin - op eller ned - afhængigt af chiraliteten, " sagde El-Naggar, som besidder Robert D. Beyer ('81) tidlig karriere-stol i naturvidenskab. "Denne undersøgelse er den første til at bekræfte, at de elektrisk ledende proteiner i disse celler udvælger elektronernes spin."

Tager spintet i brug

El-Naggar og hans kolleger har studeret disse "klippeåndende" bakterier, som en dag kan bruges til at producere bæredygtig energi, årevis. At finde ud af, at de elektronledende proteiner i disse bakterier kan vælge et bestemt elektronspin baseret på deres chiralitet, kunne være nyttigt til at udvikle visse elektroniske enheder kaldet "spintronics, " siger El-Naggar. Spintronics bruger ikke kun ladningen af ​​elektroner, men også deres kvantespin og kan være særligt nyttig i kvanteberegning.

"Der er en løbende jagt på materialer, der kan tjene som grundlag for nye spintroniske teknologier, " sagde El-Naggar. "Vores arbejde viser, at bakterielle cytochromer kan være interessante kandidater til spintronics."

At forstå, hvordan proteiner påvirker elektronernes kvantespin, kunne også hjælpe forskerne med at forstå, hvordan magnetiske felter påvirker nogle biologiske processer.

Undersøgelsen vises som en forsidehistorie i 11. december, 2019, spørgsmålet om Journal of the American Chemical Society .