Stenpustende bakterier er elektronspindoktorer, undersøgelse viser

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

De har også vidst, at magnetfelter kan påvirke retningen af ​​elektronens kvantespin, vende det 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, Kunst og videnskab og Israels Weizmann Institute of Science har fundet ud af, at protein "ledninger", der forbinder en bakteriecelle med en fast overflade, har en tendens til at transmittere elektroner med et bestemt spin.

Denne evne til at vælge en elektrons kvantespin kan have konsekvenser for brugen af ​​bakterier i bioteknologiindustrien og i spirende bestræbelser på at skabe bakteriebaserede energiceller, samt fremtidige elektroniske teknologier, de sagde.

Livet på klipperne

Anført af USC Dornsifes Moh El-Naggar, professor i fysik og astronomi og kemi, og Ron Naaman fra Weizmann Institute, forskerne har undersøgt 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 stofskiftet på inhalerede iltmolekyler, bakterierne sender elektronerne ned på specialiserede proteiner, der tilsluttes en ydre overflade.

"I modsætning til de fleste organismer, der er i stand til at bruge ilt 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 stofskifte, de "ånder" mineraler eller elektroder.

For at nå den ydre overflade, elektronerne køres gennem forskellige proteinmolekyler, der danner elektriske ledninger. Disse proteiner har magnetfelter, der kan favorisere et bestemt spin, når elektronerne kører igennem.

Forskere fandt, siger Pirbadian, at disse magnetfelter påvirkes af en egenskab ved proteiner kaldet "kiralitet".

Et par ord om kiralitet

Mange molekyler, især biologiske molekyler, vises i to versioner, hver et spejlbillede af den anden. Forskere kalder dette "kiralitet". Det ligner menneskelige hænder. Venstre og højre hånd har fem 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, forskere henviser til chirale molekyler som værende enten venstrehåndede eller højrehåndede.

Venstre- eller højrehåndet af et protein kan påvirke polariteten af ​​de magnetiske felter, elektronerne oplever, når de kører gennem proteinet. Det er det, der sker med de elektroner, der bevæger sig langs en proteintråd for at komme ud af en stenpustende bakterie, ifølge forskerne.

"På det tidspunkt elektronerne krydser molekyletråden, flertallet ender med at have det samme kvantespin - op eller ned - afhængigt af chiraliteten, "sagde El-Naggar, der har Robert D. Beyer ('81) Early Career Chair i naturvidenskab. "Denne undersøgelse er den første til at bekræfte, at de elektrisk ledende proteiner i disse celler vælger elektronernes spin."

Sætter spin i brug

El-Naggar og hans kolleger har undersøgt disse "stenpustende" bakterier, som en dag kan bruges til at producere bæredygtig energi, årevis. Det kan være nyttigt at finde ud af, at de elektronledende proteiner i disse bakterier kan vælge et bestemt elektron-spin baseret på deres chiralitet, ved at udvikle visse elektroniske enheder kaldet "spintronics, "Siger El-Naggar. Spintronics bruger ikke kun ladningen af ​​elektroner, men også deres kvantespin og kan være særlig nyttig i kvanteberegning.

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

At forstå, hvordan proteiner påvirker elektronernes kvantespin, kan også hjælpe forskerne med at forstå, hvordan magnetfelter påvirker nogle biologiske processer.

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