Simulerer hvordan elektroner bevæger sig gennem biologiske nanotråde

Bevægelsen af ​​elektroner på tværs af ledninger er det, der giver os mulighed for at bruge elektricitet hver dag. Biologiske nanotråde, mikroskopiske ledninger lavet af proteiner, har fanget forskernes opmærksomhed for deres evne til at transportere elektroner over lange afstande.

I en undersøgelse offentliggjort i Small ved Vermaas-laboratoriet på MSU-DOE Plant Research Laboratory udvider forskere vores forståelse af biologiske nanotråde ved hjælp af computersimuleringer.

Martin Kulke, førsteforfatter til undersøgelsen, sammen med Vermaas laboratorieteamet, skabte simuleringer af krystaller ved hjælp af data fra de virkelige eksperimenter i PRL Kramer-laboratoriet, hvor de pegede en lyskilde på en nanokrystal bestående af proteiner og beregnede, hvordan hurtigt exciterede elektroner rejste igennem den. Det egentlige spørgsmål var, hvorfor elektronoverførsel blev langsommere med stigende temperatur, hvilket normalt accelererer processer på nanoskala.

En potentiel idé var, at de afstande, elektronerne skulle bruge for at springe inde i nanokrystallen, kunne stige med temperaturen, hvilket bremsede, hvor hurtigt de kunne bevæge sig gennem proteinet.

"Vi simulerede disse protein nanokrystaller ved forskellige temperaturer for at teste denne idé," sagde Josh Vermaas, primær efterforsker for denne undersøgelse og assisterende professor i Institut for Biokemi og Molekylær Biologi og ved PRL. "Det, vi fandt, er, at afstandsændringerne på tværs af forskellige temperaturer ikke er så dramatiske i sig selv."

Da andre variable end temperatur blev manipuleret, begyndte forskerne at se nogle interessante handlinger fra elektronernes humle i nanotråden. Nanowire-proteinnetværket blev gjort længere, kortere, tykkere og tyndere for at identificere flaskehalse til elektronstrømmen i nanokrystallen.

"Vi fandt ud af, at i biologiske nanotråde er elektrontransporten baseret på bevægelsen af ​​proteinerne i ledningen," sagde Kulke. "Det betyder i sidste ende, at jo længere du laver disse nanotråde, jo mindre elektrontransport får du gennem dem, og jo tykkere du laver dem, jo ​​mere elektrontransport får du gennem dem."

Brugen af ​​biologiske nanotråde er spekulativ i øjeblikket, men forståelsen af, hvordan de kan konstrueres til at give mulighed for mere elektronstrøm, er afgørende for fremtidige bestræbelser på at bruge dem til at forbinde biologiske processer med konventionel elektronik.

Flere oplysninger: Martin Kulke et al., Elektrontransporthastigheder på lang rækkevidde afhænger af ledningsdimensioner i Cytochrome nanotråde, Små (2023). DOI:10.1002/smll.202304013

Journaloplysninger: Lille

Leveret af Michigan State University