Gli elettroni girano. È una parte fondamentale della loro esistenza. Alcuni girano "su" mentre altri girano "giù". Gli scienziati lo sanno da circa un secolo, grazie alla fisica quantistica.

Hanno anche saputo che i campi magnetici possono influenzare la direzione dello spin quantistico di un elettrone, girandolo dall'alto verso il basso e viceversa. E non ci vuole molto:anche una cellula batterica può farlo.

Ricercatori presso l'USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences e il Weizmann Institute of Science di Israele hanno scoperto che i "fili" proteici che collegano una cellula batterica a una superficie solida tendono a trasmettere elettroni con un particolare spin.

Questa capacità di selezionare lo spin quantistico di un elettrone potrebbe avere implicazioni per l'uso dei batteri nell'industria delle biotecnologie e negli sforzi fiorenti per creare cellule energetiche basate sui batteri, così come le future tecnologie elettroniche, loro hanno detto.

La vita sugli scogli

Guidato da Moh El-Naggar della USC Dornsife, professore di fisica, astronomia e chimica, e Ron Naaman dell'Istituto Weizmann, gli scienziati hanno studiato alcuni batteri che possono utilizzare le superfici solide nello stesso modo in cui gli animali usano l'ossigeno per respirare. Invece di scaricare gli elettroni generati durante il metabolismo sulle molecole di ossigeno inalate, i batteri inviano gli elettroni verso il basso proteine ​​specializzate che si inseriscono in una superficie esterna.

"A differenza della maggior parte degli organismi che sono in grado di utilizzare l'ossigeno come accettore di elettroni, ", ha affermato Sahand Pirbadian, Senior Research Associate della USC Dornsife, "questi batteri trasferiscono gli elettroni a un minerale solido o, come fanno nel nostro laboratorio, agli elettrodi che si trovano all'esterno della cella."

In termini di metabolismo, "respirano" i minerali o gli elettrodi.

Per raggiungere la superficie esterna, gli elettroni vengono trasportati attraverso varie molecole proteiche che formano condotti elettrici. Queste proteine ​​hanno campi magnetici che possono favorire un particolare spin mentre gli elettroni passano attraverso.

Gli scienziati hanno scoperto, dice Pirbadiano, che questi campi magnetici sono influenzati da una caratteristica delle proteine ​​chiamata "chiralità".

Qualche parola sulla chiralità

Molte molecole, soprattutto molecole biologiche, appaiono in due versioni, ciascuno un'immagine speculare dell'altro. Gli scienziati chiamano questa "chiralità". È simile alle mani umane. Le mani sinistra e destra hanno cinque dita e un pollice, ma non sono esattamente la stessa cosa. sono entrambe le mani, ma sono immagini speculari l'una dell'altra, orientato in direzioni opposte. Le molecole possono essere allo stesso modo, e infatti, gli scienziati si riferiscono alle molecole chirali come mancine o destrorse.

La destrezza o la sinistra di una proteina può influenzare la polarità dei campi magnetici sperimentati dagli elettroni mentre si spostano attraverso la proteina. Questo è quello che succede a quegli elettroni che viaggiano lungo un filo proteico per arrivare all'esterno di un batterio che respira roccia, secondo i ricercatori.

"Nel momento in cui gli elettroni attraversano il filo della molecola, la maggior parte finisce per avere lo stesso spin quantistico, verso l'alto o verso il basso, a seconda della chiralità, " disse El-Naggar, che detiene la cattedra di Robert D. Beyer ('81) Early Career Chair in Natural Sciences. "Questo studio è il primo a confermare che le proteine ​​elettricamente conduttive in queste cellule stanno selezionando lo spin degli elettroni".

Mettere a frutto la rotazione

El-Naggar e i suoi colleghi hanno studiato questi batteri "respiratori di roccia", che un giorno potrebbe essere utilizzato per produrre energia sostenibile, per anni. Scoprire che le proteine ​​conduttrici di elettroni in questi batteri possono selezionare un particolare spin elettronico in base alla loro chiralità potrebbe essere utile nello sviluppo di alcuni dispositivi elettronici chiamati "spintronica, " dice El-Naggar. La spintronica usa non solo la carica degli elettroni ma anche il loro spin quantistico e può essere particolarmente utile nell'informatica quantistica.

"C'è una continua ricerca di materiali che possano servire come base per nuove tecnologie spintroniche, " ha detto El-Naggar. "Il nostro lavoro mostra che i citocromi batterici possono essere candidati interessanti per la spintronica".

Capire come le proteine ​​influenzano lo spin quantistico degli elettroni potrebbe anche aiutare gli scienziati a capire come i campi magnetici influenzano alcuni processi biologici.

Lo studio appare come una storia di copertina nell'11 dicembre. 2019, questione del Giornale della Società Chimica Americana .