Wetenschap
Eerdere theorieën over hoe elektronen bewegen binnen eiwit-nanokristallen zijn mogelijk niet in alle gevallen van toepassing
Onderzoekers zijn van mening dat het begrijpen van de manier waarop elektronen bewegen binnen kleine, natuurlijke systemen een duurzamere toekomst voor ons energienetwerk zou kunnen bewerkstelligen.
Dat is gedeeltelijk de reden waarom onderzoekers van het Michigan State University-Department of Energy Plant Research Laboratory, of PRL, kijken naar hoe elektronen bewegen binnen eiwit-nanokristallen. Daarbij hebben ze ontdekt dat eerdere theorieën over dit onderwerp mogelijk niet in alle gevallen van toepassing zijn. Hun nieuwste werk om theorie en realiteit met elkaar te verzoenen heeft nu geleid tot een recente publicatie in het Journal of Chemical Physics .
Het verhaal tot nu toe
In 2020 observeerden onderzoekers in het laboratorium van Dave Kramer bij de PRL de elektronenstroom door een lichtbron te richten op een kristal gemaakt van eiwitten die veel moleculen bevatten die hemes worden genoemd. Heme-moleculen voeren een reeks belangrijke biologische processen uit, zoals het transporteren van zuurstof en elektronen.
De onderzoekers ontdekten dat de snelheid waarmee de elektronen van de ene heem naar de andere springen, sterk afhankelijk was van de temperatuur van het kristal. Dit temperatuureffect is erg belangrijk omdat het kan aangeven hoe de elektronen hun sprongen maken. Moeten ze als een polsstokhoogspringer over een grote barrière gaan, of maken ze meer ondiepe sprongen als een verspringer? Volgens de eerdere theorie – die gebruik maakte van enkele vereenvoudigende aannames – had het niet temperatuurafhankelijk moeten zijn.
"We hebben een resultaat bereikt dat ver verwijderd is van de vereenvoudigde theorieën", zegt Jingcheng Huang, auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker in het Kramer-lab.
"De theorie werkt voor zover de snelheidsconstanten de juiste orde van grootte hebben, behalve als je de temperatuur begint te veranderen", vervolgt Josh Vermaas, assistent-professor bij de PRL en auteur van het onderzoek.
Deze vreemde temperatuurafhankelijkheid heeft tot nu toe geleid tot twee artikelen waarin wordt geprobeerd deze resultaten te verklaren. De eerste werd gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society in 2020. Het meest recente artikel is gepubliceerd in het Journal of Chemical Physics .
Een gedeeltelijke overeenkomst
Net zoals iemand een stroom oversteekt door van steen naar steen te springen, reizen elektronen door de kristallen door van heem naar heem te springen. De onderzoekers konden op basis van kleur volgen waar de elektronen zich in het kristal bevinden.
Hemes veranderen van kleur – van rood naar roze – en door de verspreiding van de kleurverandering kunnen de onderzoekers de elektronen in het kristal zien bewegen. Wat de onderzoekers verraste was dat de kleurverandering drastischer werd gecontroleerd door de temperatuur dan wat werd voorspeld door de huidige theorie.
Met behulp van computersimulaties die bekend staan als moleculaire dynamica, met de hulp van het MSU Institute for Cyber-Enabled Research, lieten de onderzoekers zien hoe deze energieoverdracht (de beweging van elektronen) in een korte tijd plaatsvindt.
"De computersimulatie bevestigt wat we experimenteel hebben waargenomen, in ieder geval dichterbij dan de vereenvoudigde theorie," zei Huang. "De theorie en het experiment komen gedeeltelijk overeen, maar er zijn nog steeds enkele dingen die niet in de vergelijking zijn opgenomen."
"We krijgen antwoord", zei Vermaas. "Maar er is nog steeds iets funky aan de hand."
Voor dit artikel werkten de PRL-onderzoekers samen met William Parson, hoogleraar biochemie aan de University of Washington School of Medicine. Parsons eerdere werk heeft bijgedragen aan het leggen van een basis voor het PRL-onderzoek en beriep zich op de Nobelprijswinnende theorie van Rudolph Marcus om uit te leggen hoe snel elektronen van heem naar heem kunnen springen.
"Dave wist dat ik had geprobeerd de semiklassieke Marcus-vergelijking voor elektronenoverdrachtsreacties te generaliseren en manieren te vinden om de meest lastige aannames te vermijden," legde Parson uit. "Dus toen Jingcheng en Dave ontdekten dat de elektronenoverdracht in kristallen van het kleine tetraheme cytochroom veel langzamer was dan de Marcus-vergelijking voorspelde, vroeg Dave of ik suggesties had. Die uitdaging hield me meer dan drie jaar wakker." P>
Er valt nog meer te ontdekken over dit mysterie, vooral voor de onderzoekers die eraan werken om het met energie te verbinden via de primaire onderzoeksfocus van PRL:fotosynthese.
"Het oorspronkelijke doel van mijn project is om te proberen energie van het fotosyntheseapparaat om te leiden naar andere doelen, bijvoorbeeld naar enzymen die biobrandstof kunnen produceren," zei Huang.
"Dit soort kristallen of mogelijk andere soortgelijke media voor elektronenoverdracht kunnen worden gebruikt om dat soort dingen aan te drijven", zei Vermaas. "We zijn nog ver weg, maar dat is het algemene doel."