Picosecond-elektronoverførsel i peptider kan hjælpe energiteknologier

Biologiske energistrømme, såsom i fotosyntese og respiration, afhænger af overførsel af elektroner fra et molekyle til et andet. På trods af dets betydning for at opretholde livet, faktorer, der styrer hastigheden af ​​elektronoverførsel, især over lange afstande, er ikke godt forstået, fordi de systemer, der formidler sådanne ultrahurtige processer, er meget komplekse. En bedre forståelse af elektronoverførselshastigheder ville hjælpe videnskabsmænd med at forbedre kemiske transformationer, energiomdannelse, elektroniske anordninger, og fotoniske teknologier.

Nu, et internationalt team af forskere ledet af UC Riverside har observeret picosekunders ladningsoverførsel medieret af hydrogenbindinger i peptider. Et picosekund er en trilliontedel af et sekund. Som kortkædede analoger af proteiner, afgørende vigtige byggesten i levende organismer, peptider er kæder af kemisk forbundne aminosyrer. Opdagelsen viser brintbindingernes rolle i elektronoverførsel. Resultaterne offentliggøres i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Valentine Vullev, en professor i bioingeniør ved UC Riverside's Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering, sammen med Daniel Gryko fra det polske videnskabsakademi, og Harry Gray fra California Institute of Technology, ledet et hold, der opdagede usædvanlig ultrahurtig elektronoverførsel fra en donor til et acceptormolekyle forbundet med oligopeptidlinkere, der strækker sig op til 20 kovalente bindinger. Elektronoverførsel tager normalt et mikrosekund, eller en milliontedel af et sekund, i peptider med så lange gennembindingsafstande.

Forskerne var overraskede over at observere picosecond-elektronoverførsel, en hastighed 1 million gange hurtigere end tidligere kendt for sådanne systemer.

"Det burde ikke virke, men det gør det, " sagde Vullev. "Den picosekunds ladningsoverførsel, vi observerede, modsiger strukturel biologi, under antagelse af den forventede tilfældige fordeling af strukturer af de fleksible peptidkæder."

Holdet valgte donor- og receptormolekyler forbundet af korte peptider, som de opdagede faktisk antager veldefinerede strukturer stabiliseret af hydrogenbindinger. Yderligere analyse afslørede, at hydrogenbindinger inden for hvert molekyle bragte donoren og acceptoren tæt på hinanden i en skorpionformet molekylær arkitektur, muliggør picosekund elektronoverførsel.

"Dette revolutionerende design viser, at korte peptider ikke kun kan antage veldefinerede sekundære konformationer, når de skabes af organiske komponenter, men også giver et hydrogenbindingsnetværk, der kan mediere elektronoverførsel med usædvanlig høj effektivitet, " sagde Vullev. "Vores arbejde giver hidtil usete paradigmer for design og udvikling af ladningsoverførselsveje langs fleksible broer, samt indsigt i strukturelle motiver til mediering af elektronoverførsel i proteiner."

Resultaterne kan føre til fremskridt inden for energilagring samt anspore til udvikling af organisk elektronik, der bruger ledende polymerer i stedet for ledende mineraler.

"En af de mest spændende og tilfredsstillende aspekter ved at arbejde i vores gruppe er at være på forkant med sådanne opdagelser og observere disse spektakulære resultater, " sagde medforfatter John Clark, en ph.d.-studerende i Vullevs laboratorium, der lavede fotokemiske målinger til forskningen.

Papiret, "Rolle af intramolekylære hydrogenbindinger i at fremme elektronstrøm gennem aminosyre- og oligopeptidkonjugater, "