Il movimento degli elettroni, quello che gli scienziati chiamano trasferimento di elettroni, alimenta molte delle funzioni della vita. Per esempio, buona parte dell'energia che ricaviamo dai cibi che mangiamo viene catturata da un processo che rimuove gli elettroni dalle molecole del cibo, come zucchero o grasso, e li trasferisce all'ossigeno che respiriamo.

Gli scienziati stanno cercando di raccogliere elettricità dalla biologia per alimentare le nostre tecnologie e produrre nuovi prodotti, come composti medici di alto valore e gas idrogeno come fonte di combustibile pulito. Sebbene abbiamo molte capacità di controllare il trasferimento di elettroni nei metalli o nei semiconduttori, ad esempio nelle batterie, il nostro controllo sugli elettroni nella vita, sistemi biologici è più limitato. I ricercatori sanno molto sul trasferimento di elettroni su distanze molto piccole, diciamo attraverso decine di atomi, ma il processo di spostamento degli elettroni su distanze maggiori, anche la lunghezza di una cella, rimane in qualche modo un mistero.

In un nuovo studio, recentemente pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana , i laboratori di David M. Kramer, Professore distinto della Michigan State University John A. Hannah, e Daniele Ducato, professore associato nel laboratorio di ricerca sulle piante MSU-DOE, esplorare come gli elettroni possono spostarsi su lunghe distanze all'interno dei biomateriali, come le proteine. Comprendere i fattori che controllano il trasferimento di elettroni in un contesto biologico è fondamentale per i progressi in diversi campi, compresa la bioenergia, biosintesi e malattia.

"Un modo comune in cui le cellule muovono gli elettroni è trasportarli su piccoli trasportatori di elettroni proteici, " ha spiegato Kramer, un esperto in bioenergetica e fotosintesi reazioni di trasferimento di elettroni e protoni. "I vettori sono 'aree di attracco' che trasportano gli elettroni in modo sicuro intorno alla cellula. Tuttavia, questo metodo non è molto efficiente perché non orientato; gli elettroni si muovono in modo casuale. Anche, se l'ossigeno incontra queste proteine, può dirottare gli elettroni e formare specie reattive dell'ossigeno tossiche che possono uccidere la cellula".

Questi problemi hanno indotto gli scienziati a confrontarsi su come indirizzare in modo sicuro il movimento degli elettroni da un punto all'altro.

Nello studio, i laboratori segnalano un nuovo sistema a stato solido che fa proprio questo. Consiste di miliardi di trasportatori di elettroni biologici (citocromi, chiamati per i loro vividi colori rosso) disposti in un cristallo 3D in modo che i loro centri di trasporto degli elettroni, chiamato emi, sono quasi in contatto tra loro. Gli elettroni aggiunti in una parte del cristallo saltano rapidamente da un vettore all'altro, muovendosi per tutta la lunghezza del cristallo.

I cristalli sono lunghi e sottili, in modo che gli elettroni si muovano su grandi distanze. I cristalli proteggono anche gli elettroni dall'incontro con l'ossigeno. Questa caratteristica potrebbe rendere il trasferimento di elettroni più sicuro ed efficiente.

Il nuovo sistema imita quello che si trova in alcuni batteri, come Shewanella. Questi organismi hanno strutture evolute, chiamati nanofili, che consentono agli elettroni di spostarsi su distanze abbastanza lunghe, circa quanto una tipica cellula batterica. I nuovi nanofili di cristallo sono molto più lunghi in confronto che si possono vedere ad occhio nudo.

Il team utilizzerà questo sistema, il primo test diretto del suo genere, per esaminare le sfide alla base del trasferimento di elettroni a lungo raggio.

"Quando un sistema contiene migliaia di parti sciolte, il trasferimento di elettroni è influenzato da molti fattori, " disse Jingcheng Huang, coautore e ricercatore associato nei laboratori Kramer e Ducat. "Più grande è il sistema, quanto più imprevedibile è il trasferimento di elettroni, rispetto a un singolo salto da punto a punto. Senza un modello fisico con cui lavorare, come i nostri cristalli, è difficile estrapolare la dinamica dei salti brevi su superfici più ampie. La nostra sfida sarà capire come spostare in modo efficiente gli elettroni su lunghe distanze su scala biologica, come micron, che è necessario per creare questa futuristica fabbrica di cellule microbiche o sistema di generazione di energia".

Per aiutare con questo, il team sta usando il video per esaminare l'efficienza con cui gli elettroni viaggiano su queste distanze.

"Una cosa molto bella dei fili di cristallo è che possiamo fare video degli elettroni in movimento, " disse Kramer. "Quando un elettrone è su un vettore eme, il corriere cambia colore. Possiamo vedere gli elettroni muoversi in tempo reale con una semplice videocamera. Questo ci permette di verificare se la teoria sviluppata per il trasferimento a breve distanza può funzionare su distanze maggiori. Infatti, il lavoro suggerisce che alcuni nuovi, e inaspettato, fattori possono diventare importanti in questi sistemi a stato solido. Questa nuova conoscenza sta indicando la strada verso la progettazione di cavi migliori".

Il gioco a lungo raggio con questi fili cristallini è sfruttare l'elettricità per applicazioni utili.

Un'idea è quella di collegare due tipi di cellule viventi che normalmente sarebbero incompatibili. Per esempio, una cellula che immagazzina energia mediante la fotosintesi potrebbe "collegare" l'energia a un'altra cellula che la utilizza per produrre prodotti utili. Il collegamento del filo consentirebbe a entrambe le reazioni di verificarsi in sicurezza nello stesso spazio poiché la fotosintesi produce ossigeno, che è tossico per molti organismi.

"Infatti, alcuni scienziati pensano che se possiamo comprendere e controllare meglio il flusso di elettroni dagli organismi viventi, potremmo costruire sistemi in cui le cellule viventi comunicano direttamente con dispositivi elettronici, " Ducat ha aggiunto. "Questa idea potrebbe essere piuttosto lontana, tuttavia tali dispositivi bio-ibridi potrebbero avere una gamma di applicazioni, dai farmaci alla produzione di energia sostenibile".