Een weergave van een eiwitnanodraad (geel) die door een eiwitklodder (grijs) snijdt terwijl elektronendragers (oranje) erlangs reizen. Krediet: Martin Kulke
De beweging van elektronen over draden zorgt ervoor dat we elke dag elektriciteit kunnen gebruiken. Biologische nanodraden, microscopische draden gemaakt van eiwitten, hebben de aandacht van onderzoekers getrokken vanwege hun vermogen om elektronen over lange afstanden te vervoeren.
In een studie gepubliceerd in Klein door het Vermaas-lab van het MSU-DOE Plant Research Laboratory vergroten onderzoekers ons begrip van biologische nanodraden door het gebruik van computersimulaties.
Martin Kulke, eerste auteur van het onderzoek, maakte samen met het Vermaas-laboratoriumsimulaties van kristallen met behulp van gegevens uit praktijkexperimenten in het PRL Kramer-lab, waar ze een lichtbron richtten op een nanokristal dat uit eiwitten bestond en berekenden hoe snel opgewonden elektronen reisden er doorheen. De echte vraag was waarom de elektronenoverdracht langzamer werd bij toenemende temperatuur, wat doorgaans processen op nanoschaal versnelt.
Eén mogelijk idee was dat de afstanden die elektronen nodig zouden hebben om binnen het nanokristal te springen, zouden kunnen toenemen met de temperatuur, waardoor de snelheid waarmee ze door het eiwit konden bewegen zou afnemen.
“We hebben deze eiwit-nanokristallen bij verschillende temperaturen gesimuleerd om dit idee te testen”, zegt Josh Vermaas, hoofdonderzoeker voor deze studie en assistent-professor bij de afdeling Biochemie en Moleculaire Biologie en bij de PRL. “Wat we ontdekten is dat de afstandsveranderingen bij verschillende temperaturen op zichzelf niet zo dramatisch zijn.”
In deze weergave heeft elk van de 96 eiwitten in het nanokristal een andere kleur. De elektronen reizen van heemgroep naar heemgroep binnen het eiwit. De hemes worden weergegeven in een stokweergave, met grijs voor de koolstofatomen, blauw voor de stikstofatomen en een roze ijzeratoom. Credit: Vermaaslab
Toen andere variabelen dan de temperatuur werden gemanipuleerd, begonnen de onderzoekers een interessante actie te zien van de sprongen van de elektronen in de nanodraad. Het nanodraad-eiwitnetwerk werd langer, korter, dikker en dunner gemaakt om knelpunten in de elektronenstroom in het nanokristal te identificeren.
“We ontdekten dat in biologische nanodraden het elektronentransport gebaseerd is op de beweging van de eiwitten in de draad”, zei Kulke. “Wat dat uiteindelijk betekent, is dat hoe langer je die nanodraden maakt, hoe minder elektronentransport je er doorheen krijgt, en hoe dikker je ze maakt, hoe meer elektronentransport je er doorheen krijgt.”
Het gebruik van biologische nanodraden is op dit moment speculatief, maar begrijpen hoe ze kunnen worden geconstrueerd om meer elektronenstroom mogelijk te maken, is cruciaal voor toekomstige pogingen om ze te gebruiken om biologische processen te verbinden met conventionele elektronica.
Meer informatie:
Martin Kulke et al., De snelheid van elektronentransport over lange afstand is afhankelijk van de draadafmetingen in cytochroom nanodraden, Klein (2023). DOI: 10.1002/klein.202304013
Tijdschriftinformatie:
Klein
Geleverd door Michigan State University
