Elektronrörelser - vad forskare kallar elektronöverföring - driver många av livets funktioner. Till exempel, en stor del av energin vi får från maten vi äter fångas upp av en process som tar bort elektroner från matmolekyler, som socker eller fett, och överför dem till syret vi andas.

Forskare försöker skörda el från biologin för att driva vår teknik och producera nya produkter, såsom högvärdiga medicinska föreningar och vätgas som en ren bränslekälla. Även om vi har mycket förmåga att kontrollera elektronöverföring i metaller eller halvledare, till exempel i batterier, vår kontroll över elektroner i livet, biologiska system är mer begränsade. Forskare vet mycket om elektronöverföring över mycket små avstånd - säg över tiotals atomer - men processen att flytta elektroner över större avstånd - även längden på en cell - förblir något av ett mysterium.

I en ny studie, nyligen publicerad i Journal of the American Chemical Society , David M. Kramers labb, Michigan State University John A. Hannah Distinguished Professor, och Daniel Ducat, docent i MSU-DOE Plant Research Laborator, utforska hur elektroner kan röra sig över långa avstånd inom biomaterial, såsom proteiner. Att förstå faktorerna som styr elektronöverföring i ett biologiskt sammanhang är avgörande för framsteg inom olika områden, inklusive bioenergi, biosyntes och sjukdom.

"Ett vanligt sätt på vilket celler flyttar elektroner är att skjuta dem runt på små proteinelektronbärare, "förklarade Kramer, en expert på bioenergetik och fotosynteselektron- och protonöverföringsreaktioner. "Bärarna är" dockningsområden "som bär elektronerna runt på ett säkert sätt runt cellen. Men denna metod är inte särskilt effektiv eftersom den är oriktad; elektronerna rör sig på ett slumpmässigt sätt. Också, om syre möter dessa proteiner, det kan kapa elektronerna och bilda giftiga reaktiva syrearter som kan döda cellen."

Dessa problem har fått forskare att brottas med hur man säkert kan rikta in sig på elektronernas rörelse från en punkt till en annan.

I studien, labben rapporterar ett nytt solid state-system som gör just det. Den består av miljarder biologiska elektronbärare (cytokromer, namngivna efter sina livfulla röda färger) arrangerade i en 3D-kristall så att deras elektronbärande centra, kallas hemes, är nästan i kontakt med varandra. Elektroner som läggs till en del av kristallen hoppar snabbt från en bärare till en annan, rör sig över hela kristallens längd.

Kristallerna är långa och tunna, så att elektronerna rör sig över stora avstånd. Kristallerna skyddar också elektronerna från att möta syre. Denna funktion kan göra elektronöverföring säkrare och effektivare.

Det nya systemet efterliknar det som finns i vissa bakterier, som Shewanella. Dessa organismer har utvecklat strukturer, kallas nanotrådar, som tillåter elektroner att röra sig över ganska långa avstånd, ungefär lika lång som en typisk bakteriecell. De nya kristallnanotrådarna är så mycket längre i jämförelse att man kan se dem med blotta ögat.

Teamet kommer att använda detta system - det första direkta testet i sitt slag - för att undersöka utmaningarna bakom långdistanselektronöverföring.

"När ett system innehåller tusentals lösa delar, elektronöverföring påverkas av många faktorer, sa Jingcheng Huang, medförfattare och forskningsassistent i både Kramer- och Ducat-labben. "Ju större systemet, ju mer oförutsägbar elektronöverföring, jämfört med ett enda punkt-till-punkt-hopp. Utan en fysisk modell att arbeta med, som våra kristaller, det är svårt att extrapolera dynamiken i korta hopp på större ytor. Vår utmaning blir att ta reda på hur man effektivt kan flytta elektroner över långa avstånd på biologisk skala, såsom mikron, som är nödvändigt för att skapa denna futuristiska mikrobiella cellfabrik eller kraftgenereringssystem."

För att hjälpa till med detta, teamet använder video för att undersöka hur effektivt elektroner färdas över dessa avstånd.

"En mycket vacker sak med kristalltrådarna är att vi kan göra videor av elektronerna som rör sig, ", sa Kramer. "När en elektron är på en hembärare, bäraren ändrar färg. Vi kan se elektroner röra sig i realtid med en enkel videokamera. Detta gör att vi kan testa om teorin som utvecklats för kortdistansöverföring kan fungera över längre avstånd. Faktiskt, arbetet tyder på att några nya, och oväntat, faktorer kan bli viktiga i dessa fasta tillståndssystem. Denna nya kunskap pekar på vägen mot att konstruera bättre ledningar."

Långdistansspelet med dessa kristallina ledningar är att utnyttja elektriciteten för användbara applikationer.

En idé är att koppla ihop två typer av levande celler som normalt sett skulle vara inkompatibla. Till exempel, en cell som lagrar energi genom fotosyntes kan "koppla" energin till en annan cell som använder den för att göra användbara produkter. Trådlänken skulle tillåta båda reaktionerna att säkert ske i samma utrymme eftersom fotosyntes gör syre, som är giftigt för många organismer.

"Verkligen, vissa forskare tror att om vi bättre kan förstå och kontrollera flödet av elektroner från levande organismer, vi skulle kunna bygga system där levande celler direkt kommunicerar med elektroniska enheter, " tillade Ducat. "Den här idén kan vara ganska långt borta, men sådana biohybridanordningar kan ha en rad tillämpningar, från mediciner till hållbar energiproduktion."