Forskere får første kvantitative indsigt i elektronoverførsel fra mineraler til mikrober

Forskere har fået den første kvantitative indsigt i elektronoverførsel fra mineraler til mikrober ved at studere denne overførsel i en naturinspireret, protein- og jernbaseret nanopartikelsystem. Jern spiller en afgørende rolle i miljømæssig biogeokemi. Det udveksler let elektroner med mikrober, omdannelse fra mere opløselig Fe(II) til mindre opløselig Fe(III). Ved at studere den udveksling, forskere forstår bedre jerncykling i miljøet, og hvordan jerncykling, kulstof cykling, og mikrobielle aktiviteter er forbundet. For deres studier, forskerholdet brugte 'tunable' Fe _3-x Ti _x O ₄ nanopartikler, hvor Fe(II)/Fe(III)-forholdet styres ved at erstatte Fe-atomer med Ti-atomer i nanopartikelgitteret - jo mere Ti, jo mere Fe(II).

Teamet udsatte nanopartikler med forskellige Fe (II)/Fe (III) -forhold i opløsning til renset MtoA, et jernoxiderende cytokrom fra den vandlevende mikrobe, Sideroxydans lithotrophicus ES-1. De detaljerede oxidationskinetikken af ​​nanopartiklerne af cytochromet i realtid, in situ, og med opløsning på Ångström-niveau ved hjælp af et nyt værktøjssæt. Stopped-flow spektrometri ved EMSL blev brugt til at overvåge proteinabsorbansændringer, som blev brugt til at beregne elektronoverførselsreaktionskinetik. Mikrorøntgendiffraktion ved EMSL viste ændringer i Fe(II)/Fe(III)-forholdet i nanopartikelgitteret. Røntgenabsorption og magnetiske cirkulære dikroismespektroskopier med synkrotronressourcer ved den avancerede lyskilde afslørede ændringer i Fe(II)/Fe(III)-forholdet såvel som i magnetiske egenskaber ved nanopartikel-cytokrom-grænsefladen. Holdet fandt ud af, at MtoA udtog elektroner fra strukturelt Fe(II) i nanopartiklerne, der startede ved overfladen og derefter fortsatte til det indre, efterlader Fe(III) og ikke beskadiger krystalstrukturen. Også, jo højere Fe (II)/Fe (III) forholdet i nanopartiklerne, jo hurtigere er elektronoverførslen.

Holdets nye system kan tilpasses til at studere andre nøglespillere inden for geokemi, såsom elektronoverførselsproteiner i Geobacter og Shewanella samt jernholdige mineraler, såsom hæmatit. Fundamentale undersøgelser som disse har brede implikationer - fra forbedrede biogeokemi og geovidenskabelige forudsigelsesmodeller til forståelse af virkningen af ​​at bruge nanopartikler til bioteknologiske anvendelser, såsom bioremediering og energiproduktion.