Forskare tror att förståelse för hur elektroner rör sig i små naturliga system kan driva en mer hållbar framtid för vårt energinät.
Det är delvis varför forskare från Michigan State University-Department of Energy Plant Research Laboratory, eller PRL, tittar på hur elektroner rör sig i proteinnanokristaller. Genom att göra det har de upptäckt att tidigare teorier om ämnet kanske inte gäller i alla fall. Deras senaste arbete för att förena teori och verklighet har nu lett till en nyligen publicerad publikation i Journal of Chemical Physics .
År 2020 observerade forskare i Dave Kramers labb vid PRL elektronflödet in genom att rikta en ljuskälla mot en kristall gjord av proteiner som innehöll många molekyler som kallas hemes. Heme-molekyler har en rad viktiga biologiska processer de utför, som att transportera syre och elektroner.
Forskarna fann att hastigheten med vilken elektronerna hoppar från en hem till en annan i hög grad berodde på kristallens temperatur. Denna temperatureffekt är mycket viktig eftersom den kan indikera hur elektronerna gör sina hopp. Måste de gå över en stor barriär som en stavhoppare, eller gör de mer grunda hopp som en längdhoppare? Enligt tidigare teori – som använde vissa förenklade antaganden – borde det inte ha varit temperaturberoende.
"Vi fick ett resultat som är långt borta från de förenklade teorierna", säger Jingcheng Huang, författare för studien och postdoktor vid Kramer-labbet.
"Teorin fungerar såtillvida att hastighetskonstanterna är i rätt storleksordning, förutom om du börjar ändra temperaturen", fortsatte Josh Vermaas, biträdande professor vid PRL och författare till studien.
Detta märkliga temperaturberoende har lett till två artiklar hittills som försöker förklara dessa resultat. Den första publicerades i Journal of the American Chemical Society år 2020. Den senaste artikeln publiceras i Journal of Chemical Physics .
Liksom en person som korsar en bäck genom att hoppa sten till sten, färdas elektroner genom kristallerna genom att hoppa från hem till hem. Forskarna kunde spåra var elektronerna finns i kristallen baserat på färg.
Hemes ändrar färg - från rött till rosa - och spridningen av färgförändringen gör att forskarna kan se elektronerna röra sig i kristallen. Det som förvånade forskarna var att färgförändringen var mer drastiskt kontrollerad av temperaturen jämfört med vad som förutspåddes av nuvarande teori.
Med hjälp av datorsimuleringar känd som molekylär dynamik med hjälp av MSU Institute for Cyber-Enabled Research visade forskarna hur denna energiöverföring – elektronernas rörelse – sker under en kort tidsperiod.
"Datorsimuleringen bekräftar vad vi har observerat experimentellt, åtminstone närmare än den förenklade teorin," sa Huang. "Teorin och experimentet matchar delvis, men det finns fortfarande några saker som inte ingick i ekvationen."
"Vi får svar", sa Vermaas. "Men det är fortfarande något kul på gång."
För den här artikeln slog PRL-forskarna sig ihop med William Parson, professor i biokemi från University of Washington School of Medicine. Parsons tidigare arbete bidrog till att ge en grund för PRL-forskningen och åberopade den Nobelprisbelönta teorin om Rudolph Marcus för att förklara hur snabbt elektroner kan hoppa från hem till hem.
"Dave visste att jag hade försökt att generalisera den semiklassiska Marcus-ekvationen för elektronöverföringsreaktioner och att hitta sätt att undvika dess mest besvärliga antaganden," förklarade Parson. "Så när Jingcheng och Dave fann att elektronöverföringen i kristaller av det lilla tetrahemet cytokrom var mycket långsammare än Marcus-ekvationen förutspådde, frågade Dave om jag hade några förslag. Den utmaningen höll mig vaken på natten i över tre år."
Det finns fortfarande mer att avslöja med detta mysterium, särskilt för de forskare som arbetar med att koppla det till energi genom PRL:s primära forskningsfokus:fotosyntes.
"Det ursprungliga målet med mitt projekt är att försöka omdirigera energi från fotosyntesapparaten till några andra mål, till exempel till enzymer som kan producera biobränsle," sa Huang.
"Dessa typer av kristaller eller potentiellt andra liknande elektronöverföringsmedia kan användas för att driva den sortens saker," sa Vermaas. "Vi är långt borta, men det är det övergripande målet."
Mer information: William W. Parson et al, Electron transfer in a crystalline cytochrome with four hemes, The Journal of Chemical Physics (2024). DOI:10.1063/5.0186958
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society , Journal of Chemical Physics
Tillhandahålls av Michigan State University
