Forskere går langt i elektronoverførselsstudier

Elektronbevægelse - hvad videnskabsmænd kalder elektronoverførsel - driver mange af livets funktioner. For eksempel, en stor del af den energi, vi får fra de fødevarer, vi spiser, fanges af en proces, der fjerner elektroner fra madmolekyler, som sukker eller fedt, og overfører dem til den ilt, vi indånder.

Forskere forsøger at høste elektricitet fra biologien for at drive vores teknologier og producere nye produkter, såsom højværdi medicinske forbindelser og brintgas som en ren brændstofkilde. Selvom vi har mange evner til at kontrollere elektronoverførsel i metaller eller halvledere, for eksempel i batterier, vores kontrol over elektroner i livet, biologiske systemer er mere begrænsede. Forskere ved meget om elektronoverførsel over meget små afstande - for eksempel på tværs af snesevis af atomer - men processen med at flytte elektroner over større afstande - selv længden af ​​en celle - forbliver noget af et mysterium.

I en ny undersøgelse, for nylig offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , David M. Kramers laboratorier, Michigan State University John A. Hannah Distinguished Professor, og Daniel Ducat, lektor i MSU-DOE Plant Research Laborator, undersøge, hvordan elektroner kan bevæge sig over lange afstande inden for biomaterialer, såsom proteiner. At forstå de faktorer, der styrer elektronoverførsel i en biologisk kontekst, er afgørende for fremskridt på forskellige områder, herunder bioenergi, biosyntese og sygdom.

"En almindelig måde, celler flytter elektroner på, er at transportere dem rundt på små protein-elektronbærere, " forklarede Kramer, en ekspert i bioenergetik og fotosyntese elektron- og protonoverførselsreaktioner. "Bærerne er 'dockingområder', der transporterer elektronerne rundt på en sikker måde rundt om cellen. Men denne metode er ikke særlig effektiv, fordi den er urettet; elektronerne bevæger sig på en tilfældig måde. Også, hvis ilt støder på disse proteiner, det kan kapre elektronerne og danne giftige reaktive iltarter, der kan dræbe cellen."

Disse problemer har fået forskere til at kæmpe med, hvordan man sikkert målretter elektronernes bevægelse fra et punkt til et andet.

I undersøgelsen, laboratorierne rapporterer om et nyt solid state-system, der gør netop det. Den består af milliarder af biologiske elektronbærere (cytokromer, opkaldt efter deres levende røde farver) arrangeret i en 3D -krystal, så deres elektronbærende centre, kaldet hemes, er næsten i kontakt med hinanden. Elektroner tilføjet i en del af krystallen hopper hurtigt fra en bærer til en anden, bevæger sig over hele krystallens længde.

Krystallerne er lange og tynde, så elektronerne bevæger sig over store afstande. Krystallerne beskytter også elektronerne mod at støde på ilt. Denne funktion kunne gøre elektronoverførsel sikrere og mere effektiv.

Det nye system efterligner det, der findes i nogle bakterier, såsom Shewanella. Disse organismer har udviklede strukturer, kaldet nanotråde, som tillader elektroner at bevæge sig over temmelig lange afstande, omtrent lige så lang som en typisk bakteriecelle. De nye krystal nanotråde er så meget længere i sammenligning, at man kan se dem med det blotte øje.

Teamet vil bruge dette system-den første direkte test af sin art-til at undersøge udfordringerne bag elektronisk overførsel over lange afstande.

"Når et system indeholder tusindvis af løse dele, elektronoverførsel påvirkes af mange faktorer, " sagde Jingcheng Huang, medforfatter og forskningsmedarbejder i både Kramer- og Ducat-laboratoriet. "Jo større systemet er, jo mere uforudsigelig er elektronoverførslen, sammenlignet med et enkelt punkt-til-punkt-spring. Uden en fysisk model at arbejde med, såsom vores krystaller, det er svært at ekstrapolere dynamikken i korte hop til større overfladearealer. Vores udfordring bliver at finde ud af, hvordan man effektivt kan flytte elektroner over lange afstande på biologisk skala, såsom mikron, som er nødvendigt for at skabe denne futuristiske mikrobielle cellefabrik eller elproduktionssystem."

For at hjælpe med dette, holdet bruger video til at undersøge, hvor effektivt elektroner bevæger sig over disse afstande.

"En meget smuk ting ved krystalltrådene er, at vi kan lave videoer af elektronerne, der bevæger sig, " sagde Kramer. "Når en elektron er på en hæmbærer, transportøren skifter farve. Vi kan se elektroner bevæge sig i realtid med et simpelt videokamera. Dette giver os mulighed for at teste, om teorien udviklet til overførsel over korte afstande kan fungere over længere afstande. Faktisk, værket tyder på, at nogle nye, og uventet, faktorer kan blive vigtige i disse solid state-systemer. Denne nye viden peger vejen mod at konstruere bedre ledninger. "

Langrækkende spillet med disse krystallinske ledninger er at udnytte elektriciteten til nyttige applikationer.

En idé er at forbinde to slags levende celler, som normalt ville være uforenelige. For eksempel, en celle, der lagrer energi ved fotosyntese, kunne 'ledning' energien til en anden celle, der bruger den til at lave nyttige produkter. Trådforbindelsen ville tillade begge reaktioner at forekomme sikkert i det samme rum, da fotosyntese laver ilt, som er giftigt for mange organismer.

"Ja, nogle videnskabsmænd mener, at hvis vi bedre kan forstå og kontrollere strømmen af ​​elektroner fra levende organismer, vi kunne bygge systemer, hvor levende celler kommunikerer direkte med elektroniske enheder, "Tilføjede Ducat." Denne idé er muligvis et stykke væk, sådanne bio-hybride enheder kan dog have en række anvendelser, fra medicin til bæredygtig energiproduktion."