Tidligere teori om, hvordan elektroner bevæger sig inden for proteinnanokrystaller, gælder muligvis ikke i alle tilfælde

Forskere mener, at forståelse af, hvordan elektroner bevæger sig inden for små, naturlige systemer, kan drive en mere bæredygtig fremtid for vores energinet.

Det er til dels grunden til, at forskere fra Michigan State University-Department of Energy Plant Research Laboratory, eller PRL, ser på, hvordan elektroner bevæger sig inden for proteinnanokrystaller. Ved at gøre det har de opdaget, at tidligere teorier om emnet måske ikke gælder i alle tilfælde. Deres seneste arbejde med at forene teori og virkelighed har nu ført til en nylig publikation i Journal of Chemical Physics .

Historien indtil videre

I 2020 observerede forskere i Dave Kramers laboratorium ved PRL elektronstrømmen ind ved at pege en lyskilde på en krystal lavet af proteiner, der indeholdt mange molekyler kaldet hæmer. Heme-molekyler har en række vigtige biologiske processer, de udfører, som at transportere ilt og elektroner.

Forskerne fandt ud af, at hastigheden, hvormed elektronerne hopper fra en hæm til en anden, i høj grad afhang af krystallens temperatur. Denne temperatureffekt er meget vigtig, fordi den kan indikere, hvordan elektronerne foretager deres hop. Skal de over en stor barriere som en stangspringer, eller laver de mere lavvandede spring som en længdespringer? Ifølge tidligere teori – som dog brugte nogle simplificerende antagelser – burde den ikke have været temperaturafhængig.

"Vi fik et resultat, der er langt væk fra de forenklede teorier," sagde Jingcheng Huang, forfatter til undersøgelsen og postdoc-forsker i Kramer-laboratoriet.

"Teorien virker for så vidt som hastighedskonstanterne er i den rigtige størrelsesorden, undtagen hvis du begynder at ændre temperaturen," fortsatte Josh Vermaas, adjunkt ved PRL og forfatter til undersøgelsen.

Denne mærkelige temperaturafhængighed har ført til to artikler indtil videre, der forsøger at forklare disse resultater. Den første blev offentliggjort i Journal of the American Chemical Society i 2020. Den seneste artikel er offentliggjort i Journal of Chemical Physics .

En delvis match

Som en person, der krydser en strøm ved at hoppe sten til sten, rejser elektroner gennem krystallerne ved at hoppe fra hæm til hæm. Forskerne kunne spore, hvor elektronerne er i krystallen baseret på farve.

Hemes skifter farve - fra rød til pink - og spredningen af ​​farveændringen gør det muligt for forskerne at se elektronerne bevæge sig i krystallen. Det, der overraskede forskerne, var, at farveændringen var mere drastisk styret af temperaturen sammenlignet med, hvad der blev forudsagt af den nuværende teori.

Ved hjælp af computersimuleringer kendt som molekylær dynamik med hjælp fra MSU Institute for Cyber-Enabled Research viste forskerne, hvordan denne energioverførsel – elektronernes bevægelse – sker over en kort periode.

"Computersimuleringen bekræfter, hvad vi har observeret eksperimentelt, i det mindste tættere på end den forenklede teori," sagde Huang. "Teorien og eksperimentet matcher delvist, men der er stadig nogle ting, der ikke var inkluderet i ligningen."

"Vi får et svar," sagde Vermaas. "Men der er stadig noget funky i gang."

Til dette papir gik PRL-forskerne sammen med William Parson, professor i biokemi fra University of Washington School of Medicine. Parsons tidligere arbejde hjalp med at danne grundlag for PRL-forskningen og påberåbte sig Rudolph Marcus' nobelprisvindende teori for at forklare, hvor hurtigt elektroner kan hoppe fra hæm til hæm.

"Dave vidste, at jeg havde forsøgt at generalisere den semiklassiske Marcus-ligning for elektronoverførselsreaktioner og at finde måder at undgå dens mest besværlige antagelser," forklarede Parson. "Så da Jingcheng og Dave fandt ud af, at elektronoverførslen i krystaller af det lille tetraheme cytochrom var meget langsommere, end Marcus-ligningen forudsagde, spurgte Dave, om jeg havde nogle forslag. Den udfordring holdt mig vågen om natten i over tre år."

Der er stadig mere, der skal afsløres med dette mysterium, især for de forskere, der arbejder på at forbinde det med energi gennem PRL's primære forskningsfokus:fotosyntese.

"Det oprindelige mål med mit projekt er at forsøge at omdirigere energi fra fotosynteseapparatet til nogle andre mål, for eksempel til enzymer, der kan producere biobrændstof," sagde Huang.

"Denne slags krystaller eller potentielt andre lignende elektronoverførselsmedier kunne bruges til at drive den slags ting," sagde Vermaas. "Vi er langt væk, men det er det overordnede mål."

Flere oplysninger: William W. Parson et al., Elektronoverførsel i et krystallinsk cytokrom med fire hæmer, The Journal of Chemical Physics (2024). DOI:10.1063/5.0186958

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society , Journal of Chemical Physics

Leveret af Michigan State University