De första kvantitativa insikterna i elektronöverföring från mineraler till mikrober visar att cytokromet, MtoA, extraherar elektroner från strukturell Fe (II) i nanopartiklar från utsidan in, lämnar efter sig Fe (III) och skadar inte kristallstrukturen. Ju högre förhållandet Fe (II)/Fe (III) i nanopartiklarna, desto snabbare elektronöverföring.
Forskare har fått de första kvantitativa insikterna i elektronöverföring från mineraler till mikrober genom att studera den överföringen i en naturinspirerad, protein- och järnbaserat nanopartikelsystem. Järn spelar en avgörande roll för miljöbiogeokemi. Det utbyter lätt elektroner med mikrober, omvandlas från mer lösligt Fe (II) till mindre lösligt Fe (III). Genom att studera det utbytet, forskare förstår bättre järncykling i miljön och hur järncykling, kolcykling, och mikrobiella aktiviteter är kopplade. För sina studier, forskargruppen använde 'tunable' Fe 3-x Ti x O 4 nanopartiklar där Fe (II)/Fe (III) -förhållandet styrs genom att ersätta Fe -atomer med Ti -atomer i nanopartikelgitteret - ju mer Ti, desto mer Fe (II).
Teamet exponerade nanopartiklar med olika Fe (II)/Fe (III) -förhållanden i lösning till renat MtoA, ett järnoxiderande cytokrom från den vattenlevande mikroben, Sideroxydans lithotrophicus ES-1. De redogjorde för nanopartiklarnas oxidationskinetik i realtid, in situ, och med Ångström-nivå upplösning med hjälp av en ny verktygssats. Stoppflödesspektrometri vid EMSL användes för att övervaka förändringar av proteinabsorbans, som användes för att beräkna kinetik för elektronöverföringsreaktion. Mikro-röntgendiffraktion vid EMSL visade förändringar i förhållandet Fe (II)/Fe (III) i nanopartikelgitteret. Röntgenabsorption och magnetiska cirkulära dikroismspektroskopier med synkrotronresurser vid den avancerade ljuskällan avslöjade förändringar i förhållandet Fe (II)/Fe (III) såväl som i magnetiska egenskaper vid gränssnittet nanopartikel-cytokrom. Teamet fann att MtoA extraherade elektroner från strukturell Fe (II) i nanopartiklarna som började på ytan och sedan fortsatte till det inre, lämnar efter sig Fe (III) och skadar inte kristallstrukturen. Också, ju högre förhållandet Fe (II)/Fe (III) i nanopartiklarna, desto snabbare elektronöverföring.
Lagets nya system kan anpassas för att studera andra nyckelspelare inom geokemi, såsom elektronöverföringsproteiner i Geobacter och Shewanella samt järnhaltiga mineraler, såsom hematit. Grundläggande studier som dessa har breda konsekvenser - från förbättrad biogeokemi och jordvetenskapliga förutsägbara modeller till förståelse av effekten av att använda nanopartiklar för biotekniska tillämpningar, såsom biomediering och energiproduktion.
