Questo è, in parte, il motivo per cui i ricercatori del Michigan State University-Department of Energy Plant Research Laboratory, o PRL, stanno esaminando come gli elettroni si muovono all’interno dei nanocristalli proteici. In tal modo, hanno scoperto che le teorie precedenti sull'argomento potrebbero non essere applicabili in ogni caso. Il loro ultimo lavoro per conciliare teoria e realtà ha ora portato a una recente pubblicazione sul Journal of Chemical Physics .

La storia finora

Nel 2020, i ricercatori del laboratorio di Dave Kramer presso la PRL hanno osservato il flusso di elettroni puntando una fonte di luce verso un cristallo fatto di proteine ​​che conteneva molte molecole chiamate emi. Le molecole dell'eme svolgono una serie di importanti processi biologici, come trasportare ossigeno ed elettroni.

I ricercatori hanno scoperto che la velocità con cui gli elettroni saltano da un gruppo eme all’altro dipende fortemente dalla temperatura del cristallo. Questo effetto della temperatura è molto importante perché può indicare come gli elettroni effettuano i loro salti. Devono superare una grande barriera come un saltatore con l'asta, o fanno salti più superficiali come un saltatore in lungo? Secondo la teoria precedente, che utilizzava alcune ipotesi semplificatrici, non avrebbe dovuto dipendere dalla temperatura.

"Abbiamo ottenuto un risultato molto lontano dalle teorie semplificate", ha affermato Jingcheng Huang, autore dello studio e ricercatore post-dottorato nel laboratorio Kramer.

"La teoria funziona nella misura in cui le costanti di velocità sono al giusto ordine di grandezza, a meno che non si inizi a cambiare la temperatura", ha continuato Josh Vermaas, assistente professore alla PRL e autore dello studio.

Questa strana dipendenza dalla temperatura ha portato finora a due articoli che tentano di spiegare questi risultati. Il primo è stato pubblicato nel Journal of American Chemical Society nel 2020. L'articolo più recente è pubblicato sul Journal of Chemical Physics .

Una corrispondenza parziale

Come una persona che attraversa un corso d'acqua saltando da una roccia all'altra, gli elettroni viaggiano attraverso i cristalli saltando da un eme all'altro. I ricercatori sono riusciti a individuare la posizione degli elettroni nel cristallo in base al colore.

Gli emi cambiano colore, dal rosso al rosa, e la diffusione del cambiamento di colore consente ai ricercatori di osservare gli elettroni che si muovono nel cristallo. Ciò che ha sorpreso i ricercatori è stato che il cambiamento di colore era controllato in modo più drastico dalla temperatura rispetto a quanto previsto dalla teoria attuale.

Utilizzando simulazioni al computer note come dinamica molecolare con l'aiuto dell'MSU Institute for Cyber-Enabled Research, i ricercatori hanno mostrato come questo trasferimento di energia, il movimento degli elettroni, avviene in un breve periodo di tempo.

"La simulazione al computer conferma ciò che abbiamo osservato sperimentalmente, almeno più vicino della teoria semplificata", ha detto Huang. "La teoria e l'esperimento coincidono parzialmente, ma ci sono ancora alcune cose che non sono state incluse nell'equazione."

"Abbiamo una risposta", ha detto Vermaas. "Ma c'è ancora qualcosa di strano."

Per questo articolo, i ricercatori della PRL hanno collaborato con William Parson, professore di biochimica presso la School of Medicine dell'Università di Washington. Il lavoro precedente di Parson ha contribuito a fornire una base per la ricerca sulla PRL e ha invocato la teoria di Rudolph Marcus, vincitrice del premio Nobel, per spiegare quanto velocemente gli elettroni possono saltare dall'eme all'eme.

"Dave sapeva che stavo cercando di generalizzare l'equazione semiclassica di Marcus per le reazioni di trasferimento di elettroni e di trovare modi per evitare le sue ipotesi più problematiche", ha spiegato Parson. "Così, quando Jingcheng e Dave scoprirono che il trasferimento di elettroni nei cristalli del piccolo citocromo tetraeme era molto più lento di quanto previsto dall'equazione di Marcus, Dave mi chiese se avevo qualche suggerimento. Quella sfida mi tenne sveglio la notte per oltre tre anni."

C'è ancora molto da scoprire su questo mistero, soprattutto per i ricercatori che lavorano per collegarlo all'energia attraverso l'obiettivo principale della ricerca di PRL:la fotosintesi.

"L'obiettivo iniziale del mio progetto è provare a reindirizzare l'energia dall'apparato fotosintetico verso altri obiettivi, ad esempio verso enzimi che possono produrre biocarburante", ha detto Huang.

"Questo tipo di cristalli o potenzialmente altri mezzi di trasferimento di elettroni simili potrebbero essere utilizzati per alimentare questo genere di cose", ha detto Vermaas. "Siamo ancora molto lontani, ma questo è l'obiettivo generale."