_ Teoria anterioară despre cum electronii se mișcă în nanocristalele de proteine ​​s-ar putea să nu se aplice în toate cazurile

Cercetătorii cred că înțelegerea modului în care electronii se mișcă în sistemele mici, naturale ar putea alimenta un viitor mai durabil pentru rețeaua noastră energetică.

Aceasta este , în parte, de ce cercetătorii de la Universitatea de Stat din Michigan-Departamentul Laboratorului de Cercetare a Plantelor Energetice, sau PRL, se uită la modul în care electronii se mișcă în nanocristalele de proteine. Făcând acest lucru, ei au descoperit că teoriile anterioare despre acest subiect s-ar putea să nu se aplice în toate cazurile. Cea mai recentă lucrare a lor de a reconcilia teoria și realitatea a condus acum la o publicație recentă în Journal of Chemical Physics.

În 2020, cercetătorii din laboratorul lui Dave Kramer de la PRL au observat fluxul de electroni îndreptând o sursă de lumină spre un cristal format din proteine ​​care conțineau multe molecule numite hemi. Moleculele hemului au o serie de procese biologice importante pe care le efectuează, cum ar fi transportul de oxigen și electroni.

Cercetătorii au descoperit că viteza cu care sar din electroni de la un hem la altul depindea foarte mult de temperatura cristalului. Acest efect de temperatură este foarte important deoarece poate indica modul în care electronii își fac salturile. Trebuie să treacă peste o barieră mare, cum ar fi un săritor cu prăjini, sau fac sărituri mai puțin adânci ca un săritor în lungime? Conform teoriei anterioare – care folosea unele ipoteze simplificatoare – nu ar fi trebuit să fie dependentă de temperatură.

„Am obținut un rezultat care este departe de teoriile simplificate”, a spus Jingcheng Huang, autor pentru studiu și cercetător postdoctoral în laboratorul Kramer.

„Teoria funcționează în măsura în care constantele ratei sunt la ordinul corect de mărime, cu excepția cazului în care începeți să schimbați temperatura”, a continuat Josh Vermaas, profesor asistent. la PRL și un autor al studiului.

Această dependență ciudată de temperatură a condus până acum la două lucrări care încearcă să explice aceste rezultate. Prima a fost publicată în Journal of the American Chemical Society în 2020. Cea mai recentă lucrare este publicată în Journal of Chemical Physics.

Asemenea unei persoane care traversează un curs de apă, sărind stâncă în rocă, electronii călătoresc prin cristalele sărind de la hem la hem. Cercetătorii ar putea urmări unde se află electronii în cristal pe baza culorii.

Hemele își schimbă culoarea — de la roșu la roz — iar răspândirea schimbării culorii le permite cercetătorilor să urmărească mișcarea electronilor în cristal. Ceea ce i-a surprins pe cercetători a fost că schimbarea culorii a fost controlată mai drastic de temperatură în comparație cu ceea ce era prezis de teoria actuală.

Utilizarea simulărilor pe computer cunoscute sub numele de dinamică moleculară cu ajutorul Institutului MSU pentru Cercetare Cyber-Enabled , cercetătorii au arătat cum acest transfer de energie – mișcarea electronilor – are loc într-o perioadă scurtă de timp.

„Simularea pe computer confirmă ceea ce am observat experimental, cel puțin mai aproape decât teoria simplificată”. spuse Huang. „Teoria și experimentul se potrivesc parțial, dar există încă unele lucruri care nu au fost incluse în ecuație.”

„Primim un răspuns”, a spus Vermaas. „Dar încă se întâmplă ceva ciudat.”

Pentru această lucrare, cercetătorii PRL au făcut echipă cu William Parson, profesor de biochimie la Universitatea din Washington, Școala de Medicină. Lucrările anterioare ale lui Parson au contribuit la furnizarea unei fundații pentru cercetarea PRL și a invocat teoria câștigătoare a premiului Nobel a lui Rudolph Marcus pentru a explica cât de repede pot sări electronii de la hem la hem.

„Dave știa că am încercat să generalizez ecuația semiclasică Marcus pentru reacțiile de transfer de electroni și să găsesc modalități de a evita cele mai supărătoare presupuneri ale acesteia”, a explicat Parson. „Așa că, când Jingcheng și Dave au descoperit că transferul de electroni în cristalele micului citocrom tetrahem a fost mult mai lent decât a prezis ecuația Marcus, Dave a întrebat dacă am vreo sugestie. Această provocare m-a ținut treaz peste trei ani.”

Mai sunt multe de descoperit cu acest mister, în special pentru cercetătorii care lucrează pentru a-l conecta la energie prin obiectivul principal de cercetare al PRL: fotosinteza.

„Scopul inițial al proiectului meu este de a încercați să redirecționați energia din aparatul fotosintetic către alte ținte, de exemplu către enzime care pot produce biocombustibil”, a spus Huang.

„Aceste tipuri de cristale sau eventual alte medii de transfer de electroni similare ar putea fi folosite pentru a alimentează astfel de lucruri”, a spus Vermaas. „Suntem departe, dar acesta este obiectivul general.”

(Fluierul)