Gli scienziati hanno ottenuto le prime intuizioni quantitative sul trasferimento di elettroni dai minerali ai microbi studiando tale trasferimento in un modo ispirato dalla natura, sistema di nanoparticelle a base di proteine ​​e ferro. Il ferro svolge un ruolo cruciale nella biogeochimica ambientale. Scambia facilmente elettroni con i microbi, trasformando da Fe(II) più solubile a Fe(III) meno solubile. Studiando quello scambio, i ricercatori comprendono meglio il ciclo del ferro nell'ambiente e come il ciclo del ferro, ciclismo del carbonio, e le attività microbiche sono collegate. Per i loro studi, il team di ricerca ha utilizzato Fe . "sintonizzabile" _3-x Ti _X oh ₄ nanoparticelle in cui il rapporto Fe(II)/Fe(III) è controllato sostituendo gli atomi di Fe con atomi di Ti nel reticolo delle nanoparticelle:più Ti, più Fe(II).

Il team ha esposto nanoparticelle con diversi rapporti Fe(II)/Fe(III) in soluzione a MtoA purificato, un citocromo ossidante il ferro dal microbo che vive nell'acqua, Sideroxydans lithotrophicus ES-1. Hanno dettagliato la cinetica di ossidazione delle nanoparticelle da parte del citocromo in tempo reale, sul posto, e con una risoluzione a livello di Ångström utilizzando un nuovo set di strumenti. La spettrometria a flusso interrotto presso l'EMSL è stata utilizzata per monitorare i cambiamenti di assorbanza delle proteine, che sono stati utilizzati per calcolare la cinetica della reazione di trasferimento di elettroni. La diffrazione di raggi X a EMSL ha mostrato cambiamenti nel rapporto Fe(II)/Fe(III) nel reticolo delle nanoparticelle. L'assorbimento dei raggi X e le spettroscopie di dicroismo circolare magnetico con risorse di sincrotrone presso la sorgente di luce avanzata hanno rivelato cambiamenti nel rapporto Fe(II)/Fe(III) nonché nelle proprietà magnetiche all'interfaccia nanoparticelle-citocromo. Il team ha scoperto che MtoA ha estratto gli elettroni dal Fe strutturale (II) nelle nanoparticelle a partire dalla superficie per poi proseguire verso l'interno, lasciandosi dietro Fe(III) e non danneggiando la struttura cristallina. Anche, maggiore è il rapporto Fe(II)/Fe(III) nelle nanoparticelle, più veloce è il trasferimento di elettroni.

Il nuovo sistema del team può essere adattato per studiare altri attori chiave in geochimica, come proteine ​​di trasferimento di elettroni in Geobacter e Shewanella, nonché minerali contenenti ferro, come l'ematite. Studi fondamentali come questi hanno ampie implicazioni:da modelli predittivi di biogeochimica e scienze della terra migliorati alla comprensione dell'impatto dell'uso delle nanoparticelle per applicazioni biotecnologiche, come il biorisanamento e la generazione di energia.