Wetenschappers hebben de eerste kwantitatieve inzichten verkregen in elektronenoverdracht van mineralen naar microben door die overdracht te bestuderen in een door de natuur geïnspireerde, eiwit en op ijzer gebaseerd nanodeeltjessysteem. IJzer speelt een cruciale rol in de biogeochemie van het milieu. Het wisselt gemakkelijk elektronen uit met microben, transformeren van beter oplosbaar Fe(II) naar minder oplosbaar Fe(III). Door die uitwisseling te bestuderen, onderzoekers begrijpen ijzercycli in de omgeving beter en hoe ijzercycli, koolstof fietsen, en microbiële activiteiten zijn met elkaar verbonden. Voor hun studie, het onderzoeksteam gebruikte 'afstembare' Fe _3-x Ti _x O ₄ nanodeeltjes waarin de Fe(II)/Fe(III)-verhouding wordt geregeld door Fe-atomen te vervangen door Ti-atomen in het nanodeeltjesrooster - hoe meer Ti, hoe meer Fe(II).

Het team stelde nanodeeltjes met verschillende Fe(II)/Fe(III)-verhoudingen in oplossing bloot aan gezuiverd MtoA, een ijzeroxiderend cytochroom van de in water levende microbe, Sideroxydans lithotrophicus ES-1. Ze hebben de oxidatiekinetiek van de nanodeeltjes door het cytochroom in realtime gedetailleerd, ter plaatse, en met resolutie op Ångström-niveau met behulp van een nieuwe toolset. Stopped-flow-spectrometrie bij EMSL werd gebruikt om veranderingen in eiwitabsorptie te volgen, die werden gebruikt om de reactiekinetiek van de elektronenoverdracht te berekenen. Micro-röntgendiffractie bij EMSL toonde veranderingen in de Fe(II)/Fe(III)-verhouding in het nanodeeltjesrooster. Röntgenabsorptie en magnetische circulair dichroïsme-spectroscopie met synchrotronbronnen bij de geavanceerde lichtbron onthulden veranderingen in de Fe(II)/Fe(III)-verhouding en in magnetische eigenschappen op het nanodeeltje-cytochroom-interface. Het team ontdekte dat MtoA elektronen uit structureel Fe (II) in de nanodeeltjes haalde, beginnend aan het oppervlak en vervolgens doorging naar het binnenste, waardoor Fe(III) achterblijft en de kristalstructuur niet wordt beschadigd. Ook, hoe hoger de verhouding Fe(II)/Fe(III) in de nanodeeltjes, hoe sneller de elektronenoverdracht.

Het nieuwe systeem van het team kan worden aangepast om andere belangrijke spelers in de geochemie te bestuderen, zoals elektronenoverdrachtseiwitten in Geobacter en Shewanella, evenals ijzerbevattende mineralen, zoals hematiet. Fundamentele studies zoals deze hebben brede implicaties - van verbeterde biogeochemie en voorspellende modellen voor aardwetenschappen tot het begrijpen van de impact van het gebruik van nanodeeltjes voor biotechnologische toepassingen, zoals bioremediatie en energieopwekking.