Elektronen draaien. Het is een fundamenteel onderdeel van hun bestaan. Sommige draaien "omhoog", terwijl anderen "omlaag" draaien. Wetenschappers weten dit al ongeveer een eeuw, dankzij de kwantumfysica.

Ze weten ook dat magnetische velden de richting van de kwantumspin van een elektron kunnen beïnvloeden, door hem van boven naar beneden te draaien en vice versa. En er is niet veel voor nodig:zelfs een bacteriecel kan het.

Onderzoekers van het USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences en het Israëlische Weizmann Institute of Science hebben ontdekt dat "draden" van eiwitten die een bacteriële cel verbinden met een vast oppervlak, de neiging hebben om elektronen met een bepaalde spin over te brengen.

Dit vermogen om de kwantumspin van een elektron te selecteren, zou gevolgen kunnen hebben voor het gebruik van bacteriën in de biotechnologische industrie en voor de ontluikende inspanningen om op bacteriën gebaseerde energiecellen te creëren. evenals toekomstige elektronische technologieën, ze zeiden.

Leven op de rotsen

Onder leiding van Moh El-Naggar van USC Dornsife, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde en scheikunde, en Ron Naäman van het Weizmann Instituut, de wetenschappers hebben bepaalde bacteriën bestudeerd die vaste oppervlakken kunnen gebruiken op dezelfde manier als dieren zuurstof gebruiken om te ademen. In plaats van elektronen die tijdens het metabolisme worden gegenereerd op ingeademde zuurstofmoleculen te dumpen, de bacteriën sturen de elektronen naar gespecialiseerde eiwitten die aansluiten op een extern oppervlak.

"In tegenstelling tot de meeste organismen die zuurstof als elektronenacceptor kunnen gebruiken, " zei USC Dornsife Senior Research Associate Sahand Pirbadian, "deze bacteriën brengen de elektronen over naar een vast mineraal of, zoals ze in ons lab doen, aan elektroden die zich buiten de cel bevinden."

Wat de stofwisseling betreft, ze "ademen" de mineralen of elektroden.

Om het buitenoppervlak te bereiken, de elektronen worden gependeld door verschillende eiwitmoleculen die elektrische leidingen vormen. Deze eiwitten hebben magnetische velden die een bepaalde spin kunnen begunstigen terwijl de elektronen er doorheen pendelen.

Wetenschappers vonden, zegt Pirbadian, dat deze magnetische velden worden beïnvloed door een eigenschap van de eiwitten die 'chiraliteit' wordt genoemd.

Een paar woorden over chiraliteit

Veel moleculen, vooral biologische moleculen, verschijnen in twee versies, elk een spiegelbeeld van de ander. Wetenschappers noemen dit 'chiraliteit'. Het is vergelijkbaar met mensenhanden. De linker- en rechterhand hebben vijf vingers en een duim, maar ze zijn niet precies hetzelfde. Het zijn beide handen, maar het zijn spiegelbeelden van elkaar, in tegengestelde richtingen gericht. Moleculen kunnen op dezelfde manier zijn, En in feite, wetenschappers verwijzen naar chirale moleculen als linkshandig of rechtshandig.

De links- of rechtshandigheid van een eiwit kan de polariteit beïnvloeden van de magnetische velden die door de elektronen worden ervaren terwijl ze door het eiwit pendelen. Dat gebeurt er met die elektronen die langs een eiwitdraad reizen om bij een steenademende bacterie te komen, volgens de onderzoekers.

"Tegen de tijd dat de elektronen de molecuuldraad doorkruisen, de meerderheid heeft uiteindelijk dezelfde kwantumspin - omhoog of omlaag - afhankelijk van de chiraliteit, " zei El-Naggar, die de Robert D. Beyer ('81) Early Career Chair in natuurwetenschappen bekleedt. "Deze studie is de eerste die bevestigt dat de elektrisch geleidende eiwitten in deze cellen de spin van elektronen selecteren."

De spin gebruiken om te gebruiken

El-Naggar en zijn collega's hebben deze "steenademende" bacteriën bestudeerd, die ooit zou kunnen worden gebruikt om duurzame energie te produceren, voor jaren. De ontdekking dat de elektronengeleidende eiwitten in deze bacteriën kunnen selecteren op een bepaalde elektronenspin op basis van hun chiraliteit, zou nuttig kunnen zijn bij de ontwikkeling van bepaalde elektronische apparaten die 'spintronica' worden genoemd. " zegt El-Naggar. Spintronica gebruikt niet alleen de lading van elektronen, maar ook hun kwantumspin en kan vooral nuttig zijn in kwantumcomputers.

"Er is een voortdurende jacht op materialen die als basis kunnen dienen voor nieuwe spintronische technologieën, " zei El-Naggar. "Ons werk toont aan dat bacteriële cytochromen interessante kandidaten kunnen zijn voor spintronica."

Begrijpen hoe eiwitten de kwantumspin van elektronen beïnvloeden, zou de wetenschappers ook kunnen helpen begrijpen hoe magnetische velden sommige biologische processen beïnvloeden.

De studie verschijnt als een dekmantel in de 11 december, 2019, uitgave van de Tijdschrift van de American Chemical Society .