Biologiska energiflöden, som vid fotosyntes och andning, beror på överföringen av elektroner från en molekyl till en annan. Trots dess betydelse för att upprätthålla livet, faktorer som styr hastigheten för elektronöverföring, särskilt över långa sträckor, är inte väl förstådda eftersom systemen som förmedlar sådana ultrasnabba processer är mycket komplexa. En bättre förståelse av elektronöverföringshastigheter skulle hjälpa forskare att förbättra kemiska transformationer, energiomvandling, elektroniska enheter, och fotonisk teknik.

Nu, ett internationellt team av forskare under ledning av UC Riverside har observerat picosekunders laddningsöverföring förmedlad av vätebindningar i peptider. En picosekund är en biljondel av en sekund. Som kortkedjiga analoger av proteiner, avgörande byggstenar för levande organismer, peptider är kedjor av kemiskt länkade aminosyror. Upptäckten visar vätebindningarnas roll vid elektronöverföring. Resultaten publiceras i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Valentine Vullev, professor i bioingenjör vid UC Riversides Marlan och Rosemary Bourns College of Engineering, tillsammans med Daniel Gryko från Polish Academy of Sciences, och Harry Gray från California Institute of Technology, ledde ett team som upptäckte ovanligt ultrasnabb elektronöverföring från en donator till en acceptormolekyl ansluten till oligopeptidlänkare som sträckte sig upp till 20 kovalenta bindningar. Elektronöverföring tar vanligtvis en mikrosekund, eller en miljonedel av en sekund, i peptider med så långa genombindningsavstånd.

Forskarna blev förvånade över att observera picosekund elektronöverföring, en hastighet 1 miljon gånger snabbare än tidigare känt för sådana system.

"Det borde inte fungera, men det gör det, "Sade Vullev." Den picosekunders laddningsöverföring vi observerade motsäger strukturell biologi, förutsatt den förväntade slumpmässiga fördelningen av strukturerna i de flexibla peptidkedjorna. "

Teamet valde donator- och receptormolekyler kopplade med korta peptider som de upptäckte antar faktiskt väldefinierade strukturer stabiliserade av vätebindningar. Ytterligare analys visade att vätebindningar i varje molekyl förde givaren och acceptorn nära varandra i en skorpionformad molekylarkitektur, möjliggör bildöverföring av picosekunder.

"Denna revolutionerande design visar att korta peptider inte bara kan anta väldefinierade sekundära konformationer när de formas av organiska komponenter, utan också tillhandahålla ett vätebindande nätverk som kan förmedla elektronöverföring med ovanligt höga effektiviteter, "Vullev sa." Vårt arbete ger oöverträffade paradigm för design och utveckling av laddningsöverföringsvägar längs flexibla broar, liksom insikter i strukturella motiv för att förmedla elektronöverföring i proteiner. "

Fynden kan leda till framsteg inom energilagring samt sporra utveckling av organisk elektronik som använder ledande polymerer istället för att leda mineraler.

"En av de mest spännande och tillfredsställande aspekterna av att arbeta i vår grupp är att ligga i framkant av sådana upptäckter och observera dessa spektakulära resultat, "sa medförfattaren John Clark, en doktorand i Vullevs lab som gjorde fotokemiska mätningar för forskningen.

Pappret, "Intramolekylära vätebindningars roll för att främja elektronflöde genom aminosyra- och oligopeptidkonjugat, "