Elektronenbeweging - wat wetenschappers elektronenoverdracht noemen - drijft veel van de functies van het leven aan. Bijvoorbeeld, een groot deel van de energie die we halen uit het voedsel dat we eten, wordt opgevangen door een proces dat elektronen uit voedselmoleculen verwijdert, zoals suiker of vet, en brengt ze over naar de zuurstof die we inademen.

Wetenschappers proberen elektriciteit uit de biologie te oogsten om onze technologieën aan te drijven en nieuwe producten te produceren. zoals hoogwaardige medische verbindingen en waterstofgas als schone brandstofbron. Hoewel we veel mogelijkheden hebben om de elektronenoverdracht in metalen of halfgeleiders te regelen, bijvoorbeeld in batterijen, onze controle over elektronen in het leven, biologische systemen is beperkter. Onderzoekers weten veel over elektronenoverdracht over zeer kleine afstanden - laten we zeggen over tientallen atomen - maar het proces van het verplaatsen van elektronen over grotere afstanden - zelfs de lengte van één cel - blijft enigszins een mysterie.

In een nieuwe studie, onlangs gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , de laboratoria van David M. Kramer, Michigan State University John A. Hannah Distinguished Professor, en Daniël Dukaat, universitair hoofddocent bij het MSU-DOE Plant Research Laborator, onderzoeken hoe elektronen zich over lange afstanden binnen biomaterialen kunnen verplaatsen, zoals eiwitten. Het begrijpen van de factoren die elektronenoverdracht in een biologische context regelen, is van cruciaal belang voor vooruitgang op diverse gebieden, inclusief bio-energie, biosynthese en ziekte.

"Een veel voorkomende manier waarop cellen elektronen verplaatsen, is ze rond te pendelen op kleine eiwit-elektronendragers, " legde Kramer uit, een expert in bio-energetica en fotosynthese elektronen- en protonoverdrachtsreacties. "De dragers zijn 'docking area's' die de elektronen op een veilige manier door de cel vervoeren. deze methode is niet erg efficiënt omdat ze ongericht is; de elektronen bewegen op een willekeurige manier. Ook, als zuurstof deze eiwitten tegenkomt, het kan de elektronen kapen en giftige reactieve zuurstofsoorten vormen die de cel kunnen doden."

Deze problemen hebben ertoe geleid dat wetenschappers worstelen met hoe ze veilig de beweging van elektronen van het ene punt naar het andere kunnen richten.

In de studie, de laboratoria rapporteren een nieuw solid-state systeem dat precies dat doet. Het bestaat uit miljarden biologische elektronendragers (cytochromen, genoemd naar hun levendige rode kleuren) gerangschikt in een 3D-kristal zodat hun elektronendragende centra, genaamd hemes, staan ​​bijna met elkaar in contact. Elektronen die aan een deel van het kristal zijn toegevoegd, springen snel van de ene drager naar de andere, over de gehele lengte van het kristal bewegen.

De kristallen zijn lang en dun, zodat de elektronen over grote afstanden bewegen. De kristallen beschermen de elektronen ook tegen zuurstof. Deze functie zou elektronenoverdracht veiliger en efficiënter kunnen maken.

Het nieuwe systeem bootst dat van een systeem na dat in sommige bacteriën wordt aangetroffen, zoals Shewanella. Deze organismen hebben structuren ontwikkeld, nanodraden genoemd, waardoor elektronen over vrij lange afstanden kunnen bewegen, ongeveer even lang als een typische bacteriële cel. De nieuwe kristallen nanodraden zijn zoveel langer in vergelijking dat je ze met het blote oog kunt zien.

Het team zal dit systeem - de eerste directe test in zijn soort - gebruiken om de uitdagingen achter elektronenoverdracht op lange afstand te onderzoeken.

"Als een systeem duizenden losse onderdelen bevat, elektronenoverdracht wordt beïnvloed door vele factoren, " zei Jingcheng Huang, co-auteur en onderzoeksmedewerker in zowel het Kramer- als het Ducat-lab. "Hoe groter het systeem, hoe onvoorspelbaarder de elektronenoverdracht, vergeleken met een enkele sprong van punt naar punt. Zonder een fysiek model om mee te werken, zoals onze kristallen, het is moeilijk om de dynamiek van korte sprongen te extrapoleren naar grotere oppervlakten. Onze uitdaging zal zijn om erachter te komen hoe we elektronen efficiënt over lange afstanden kunnen verplaatsen op biologische schaal, zoals micron, die nodig is om deze futuristische microbiële celfabriek of stroomopwekkingssysteem te creëren."

Om hierbij te helpen, het team gebruikt video om te onderzoeken hoe efficiënt elektronen over deze afstanden reizen.

"Een heel mooi ding over de kristaldraden is dat we video's kunnen maken van de elektronen die bewegen, "Zei Kramer. "Als een elektron zich op een heemdrager bevindt, de drager verandert van kleur. We kunnen elektronen in realtime zien bewegen met een eenvoudige videocamera. Hiermee kunnen we testen of de theorie die is ontwikkeld voor korte afstandsoverdracht ook over langere afstanden kan werken. In feite, het werk suggereert dat sommige nieuwe, en onverwacht, factoren kunnen belangrijk worden in deze solid-state systemen. Deze nieuwe kennis wijst de weg naar het engineeren van betere draden."

Het langeafstandsspel met deze kristallijne draden is om de elektriciteit te benutten voor nuttige toepassingen.

Een idee is om twee soorten levende cellen met elkaar te verbinden die normaal gesproken onverenigbaar zouden zijn. Bijvoorbeeld, een cel die energie opslaat door middel van fotosynthese zou de energie kunnen 'bekabelen' naar een andere cel die het gebruikt om nuttige producten te maken. De draadverbinding zou ervoor zorgen dat beide reacties veilig in dezelfde ruimte kunnen plaatsvinden, omdat fotosynthese zuurstof maakt, die voor veel organismen giftig is.

"Inderdaad, sommige wetenschappers denken dat als we de stroom van elektronen uit levende organismen beter kunnen begrijpen en beheersen, we zouden systemen kunnen bouwen waarbij levende cellen rechtstreeks communiceren met elektronische apparaten, "Ducat voegde eraan toe. "Dit idee is misschien een heel eind weg, dergelijke biohybride apparaten kunnen echter een scala aan toepassingen hebben, van medicijnen tot duurzame energieproductie."