Elektronernas rörelse över ledningar är det som gör att vi kan använda elektricitet varje dag. Biologiska nanotrådar, mikroskopiska trådar gjorda av proteiner, har fångat forskarnas uppmärksamhet för deras förmåga att bära elektroner över långa avstånd.
I en studie publicerad i Small av Vermaas-labbet vid MSU-DOE Plant Research Laboratory utökar forskare vår förståelse av biologiska nanotrådar genom användning av datorsimuleringar.
Martin Kulke, första författare till studien, tillsammans med Vermaas labbteam, skapade simuleringar av kristaller med hjälp av data från verkliga experiment i PRL Kramer-labbet, där de pekade en ljuskälla på en nanokristall som består av proteiner och beräknade hur snabbt exciterade elektroner färdades genom den. Den verkliga frågan var varför elektronöverföringen blev långsammare med ökande temperatur, vilket vanligtvis accelererar processer på nanoskala.
En potentiell idé var att de avstånd som elektronerna skulle behöva för att hoppa in i nanokristallen kan öka med temperaturen, vilket saktar ner hur snabbt de kunde röra sig genom proteinet.
"Vi simulerade dessa protein nanokristaller vid olika temperaturer för att testa den här idén", säger Josh Vermaas, primär utredare för denna studie och biträdande professor vid institutionen för biokemi och molekylärbiologi och vid PRL. "Vad vi fann är att avståndsförändringarna mellan olika temperaturer inte är så dramatiska på egen hand."
När andra variabler än temperatur manipulerades började forskarna se några intressanta åtgärder från elektronernas humle i nanotråden. Nanotrådsproteinnätverket gjordes längre, kortare, tjockare och tunnare för att identifiera flaskhalsar till elektronflödet i nanokristallen.
"Vi fann att i biologiska nanotrådar är elektrontransporten baserad på rörelsen hos proteinerna i tråden," sa Kulke. "Vad det betyder är i slutändan, ju längre du gör dessa nanotrådar, desto mindre elektrontransport får du genom dem och ju tjockare du gör dem, desto mer elektrontransport får du genom dem."
Användningen av biologiska nanotrådar är spekulativ för tillfället, men att förstå hur de kan konstrueras för att möjliggöra mer elektronflöde är avgörande för framtida ansträngningar att använda dem för att koppla biologiska processer till konventionell elektronik.
Mer information: Martin Kulke et al, Långdistanselektrontransporthastigheter beror på tråddimensioner i Cytochrome Nanotrådar, Små (2023). DOI:10.1002/smll.202304013
Journalinformation: Liten
Tillhandahålls av Michigan State University
