Biologische energiestromen, zoals bij fotosynthese en ademhaling, afhankelijk van de overdracht van elektronen van het ene molecuul naar het andere. Ondanks het belang ervan voor de instandhouding van het leven, factoren die de snelheid van elektronenoverdracht bepalen, vooral over lange afstanden, worden niet goed begrepen omdat de systemen die dergelijke ultrasnelle processen bemiddelen zeer complex zijn. Een beter begrip van elektronenoverdrachtsnelheden zou wetenschappers helpen om chemische transformaties te verbeteren, energie conversie, elektronische apparaten, en fotonische technologieën.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team van onderzoekers onder leiding van UC Riverside heeft picoseconde ladingsoverdracht gemedieerd door waterstofbruggen in peptiden waargenomen. Een picoseconde is een biljoenste van een seconde. Als korteketenanalogen van eiwitten, cruciale bouwstenen van levende organismen, peptiden zijn ketens van chemisch gekoppelde aminozuren. De ontdekking toont de rol van waterstofbruggen bij elektronenoverdracht. De resultaten zijn gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .

Valentijn Vullev, een professor in bio-engineering aan het Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering van UC Riverside, samen met Daniel Gryko van de Poolse Academie van Wetenschappen, en Harry Gray van het California Institute of Technology, leidde een team dat ongebruikelijk ultrasnelle elektronenoverdracht van een donor naar een acceptormolecuul ontdekte, verbonden met oligopeptide-linkers die zich uitstrekken tot 20 covalente bindingen. Elektronenoverdracht duurt meestal een microseconde, of een miljoenste van een seconde, in peptiden met zulke lange doorgaande bindingsafstanden.

De onderzoekers waren verrast om picoseconde elektronenoverdracht te observeren, een snelheid die 1 miljoen keer sneller is dan voorheen bekend was voor dergelijke systemen.

"Het zou niet moeten werken, maar het doet, Vullev zei. "De picoseconde ladingsoverdracht die we hebben waargenomen, is in tegenspraak met de structurele biologie, uitgaande van de verwachte willekeurige verdeling van structuren van de flexibele peptideketens."

Het team koos donor- en receptormoleculen die verbonden zijn door korte peptiden waarvan ze ontdekten dat ze eigenlijk goed gedefinieerde structuren aannemen die gestabiliseerd zijn door waterstofbruggen. Verdere analyse onthulde dat waterstofbruggen in elk molecuul de donor en acceptor dicht bij elkaar brachten in een schorpioenvormige moleculaire architectuur, waardoor picoseconde elektronenoverdracht.

"Dit revolutionaire ontwerp laat zien dat korte peptiden niet alleen goed gedefinieerde secundaire conformaties kunnen aannemen wanneer ze worden getemperd door organische componenten, maar ook een waterstofbindingsnetwerk bieden dat elektronenoverdracht kan bemiddelen met ongewoon hoge efficiënties, "Zei Vullev. "Ons werk biedt ongekende paradigma's voor het ontwerp en de ontwikkeling van ladingsoverdrachtspaden langs flexibele bruggen, evenals inzichten in structurele motieven voor het bemiddelen van elektronenoverdracht in eiwitten."

De bevindingen kunnen leiden tot vooruitgang in energieopslag en de ontwikkeling van organische elektronica stimuleren die geleidende polymeren gebruikt in plaats van geleidende mineralen.

"Een van de meest opwindende en bevredigende aspecten van het werken in onze groep is om voorop te lopen bij dergelijke ontdekkingen en deze spectaculaire resultaten te observeren, " zei co-auteur John Clark, een promovendus in het lab van Vullev die fotochemische metingen deed voor het onderzoek.

De krant, "De rol van intramoleculaire waterstofbruggen bij het bevorderen van de elektronenstroom door aminozuur- en oligopeptideconjugaten, "