Elektroner snurrar. Det är en grundläggande del av deras existens. Vissa snurrar "upp" medan andra snurrar "ner". Forskare har vetat detta i ungefär ett sekel, tack vare kvantfysiken.

De har också vetat att magnetfält kan påverka riktningen för en elektron kvantspinn, vända den upp och ner och vice versa. Och det krävs inte mycket:Till och med en bakteriecell klarar det.

Forskare vid USC Dornsife College of Letters, Konst och vetenskap och Israels Weizmann Institute of Science har funnit att protein "trådar" som ansluter en bakteriecell till en fast yta tenderar att överföra elektroner med ett visst snurr.

Denna förmåga att välja en elektrons kvantspinn kan ha konsekvenser för användningen av bakterier i bioteknikindustrin och i växande ansträngningar för att skapa bakteriebaserade energiceller, liksom framtida elektronisk teknik, sa de.

Livet på klipporna

Leds av USC Dornsifes Moh El-Naggar, professor i fysik och astronomi och kemi, och Ron Naaman från Weizmann Institute, forskarna har studerat vissa bakterier som kan använda fasta ytor på samma sätt som djur använder syre för att andas. Istället för att dumpa elektroner som genereras under metabolism på inandade syremolekyler, bakterierna skickar elektronerna ner specialiserade proteiner som ansluts till en yttre yta.

"Till skillnad från de flesta organismer som kan använda syre som elektronacceptor, "säger USC Dornsife Senior Research Associate Sahand Pirbadian, "dessa bakterier överför elektronerna till ett fast mineral eller, som de gör i vårt labb, till elektroder som befinner sig utanför cellen. "

När det gäller ämnesomsättning, de "andas" mineralerna eller elektroderna.

För att nå den yttre ytan, elektronerna skjuts genom olika proteinmolekyler som bildar elektriska ledningar. Dessa proteiner har magnetfält som kan gynna ett visst snurr när elektronerna går igenom.

Forskare fann, säger Pirbadian, att dessa magnetfält påverkas av en egenskap hos proteinerna som kallas "kiralitet".

Några ord om kiralitet

Många molekyler, särskilt biologiska molekyler, visas i två versioner, var och en en spegelbild av den andra. Forskare kallar detta "kiralitet". Det liknar mänskliga händer. Vänster och höger hand har fem fingrar och en tumme, men de är inte exakt samma. De är båda händerna, men de är spegelbilder av varandra, orienterade i motsatta riktningar. Molekyler kan vara på samma sätt, och faktiskt, forskare hänvisar till kirala molekyler som antingen vänsterhänta eller högerhänta.

Ett protein vänster- eller högerhänt kan påverka polariteten hos de magnetiska fälten som elektronerna upplever när de pendlar genom proteinet. Det är vad som händer med de elektroner som färdas längs en proteintråd för att komma till utsidan av en stenandande bakterie, enligt forskarna.

"När elektronerna passerar molekyltråden, majoriteten slutar ha samma kvantspinn - upp eller ner - beroende på kiralitet, "sa El-Naggar, som innehar Robert D. Beyer ('81) Early Career Chair i naturvetenskap. "Denna studie är den första som bekräftar att de elektriskt ledande proteinerna i dessa celler väljer elektronernas snurr."

Att använda snurren

El-Naggar och hans kollegor har studerat dessa "stenandande" bakterier, som en dag kan användas för att producera hållbar energi, i åratal. Att upptäcka att de elektronledande proteinerna i dessa bakterier kan välja för ett visst elektronspinn baserat på deras kiralitet kan vara användbart för att utveckla vissa elektroniska enheter som kallas "spintronics, "Säger El-Naggar. Spintronics använder inte bara laddningen av elektroner utan också deras kvantspinn och kan vara särskilt användbar vid kvantberäkning.

"Det pågår en jakt på material som kan fungera som grund för ny spintronic -teknik, "sa El-Naggar." Vårt arbete visar att bakteriella cytokromer kan vara intressanta kandidater för spintronik. "

Att förstå hur proteiner påverkar elektronernas kvantspinn kan också hjälpa forskarna att förstå hur magnetfält påverkar vissa biologiska processer.

Studien visas som en omslagsberättelse i 11 december, 2019, frågan om Journal of the American Chemical Society .