El movimiento de electrones, lo que los científicos llaman transferencia de electrones, impulsa muchas de las funciones de la vida. Por ejemplo, Gran parte de la energía que obtenemos de los alimentos que comemos es capturada por un proceso que elimina los electrones de las moléculas de los alimentos. como azúcar o grasa, y los transfiere al oxígeno que respiramos.

Los científicos están tratando de cosechar electricidad de la biología para impulsar nuestras tecnologías y producir nuevos productos. tales como compuestos médicos de alto valor y gas hidrógeno como fuente de combustible limpio. Aunque tenemos mucha capacidad para controlar la transferencia de electrones en metales o semiconductores, por ejemplo en baterías, nuestro control sobre los electrones en la vida, Los sistemas biológicos son más limitados. Los investigadores saben mucho sobre la transferencia de electrones a distancias muy pequeñas, digamos a través de decenas de átomos, pero el proceso de mover electrones a distancias más grandes, incluso la longitud de una celda, sigue siendo un misterio.

En un nuevo estudio, publicado recientemente en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , los laboratorios de David M. Kramer, Profesor distinguido John A. Hannah de la Universidad Estatal de Michigan, y Daniel Ducat, profesor asociado en el Laboratorio de Investigación de Plantas MSU-DOE, explorar cómo los electrones pueden moverse a través de largas distancias dentro de biomateriales, como las proteínas. Comprender los factores que controlan la transferencia de electrones en un contexto biológico es fundamental para los avances en diversos campos, incluida la bioenergía, biosíntesis y enfermedad.

"Una forma común en que las células mueven electrones es transportarlos en pequeños portadores de electrones de proteínas, "explicó Kramer, experto en bioenergética y fotosíntesis de reacciones de transferencia de electrones y protones. "Los portadores son 'áreas de acoplamiento' que transportan los electrones de una manera segura alrededor de la celda. Sin embargo, este método no es muy eficaz porque no está dirigido; los electrones se mueven de forma aleatoria. También, si el oxígeno se encuentra con estas proteínas, puede secuestrar los electrones y formar especies tóxicas de oxígeno reactivo que pueden matar la célula ".

Estos problemas han llevado a los científicos a lidiar con cómo apuntar de manera segura el movimiento de electrones de un punto a otro.

En el estudio, los laboratorios informan de un nuevo sistema de estado sólido que hace precisamente eso. Consiste en miles de millones de portadores de electrones biológicos (citocromos, nombrados por sus vívidos colores rojos) dispuestos en un cristal 3D de modo que sus centros portadores de electrones, llamado hemes, están casi en contacto entre sí. Los electrones añadidos a una parte del cristal saltan rápidamente de un portador a otro, moviéndose a lo largo de toda la longitud del cristal.

Los cristales son largos y delgados, de modo que los electrones se muevan a grandes distancias. Los cristales también protegen a los electrones del encuentro con el oxígeno. Esta característica podría hacer que la transferencia de electrones sea más segura y eficiente.

El nuevo sistema imita al que se encuentra en algunas bacterias, como Shewanella. Estos organismos han desarrollado estructuras, llamados nanocables, que permiten que los electrones se muevan a distancias bastante largas, aproximadamente tan largo como una célula bacteriana típica. Los nuevos nanocables de cristal son mucho más largos en comparación que uno puede verlos a simple vista.

El equipo utilizará este sistema, la primera prueba directa de este tipo, para examinar los desafíos detrás de la transferencia de electrones de largo alcance.

"Cuando un sistema contiene miles de piezas sueltas, La transferencia de electrones se ve afectada por muchos factores, "dijo Jingcheng Huang, coautor e investigador asociado en los laboratorios Kramer y Ducat. "Cuanto más grande sea el sistema, cuanto más impredecible sea la transferencia de electrones, en comparación con un solo salto de punto a punto. Sin un modelo físico con el que trabajar, como nuestros cristales, Es difícil extrapolar la dinámica de los saltos cortos a áreas de superficie más grandes. Nuestro desafío será descubrir cómo mover electrones de manera eficiente a largas distancias en la escala biológica, como micrones, que es necesario para crear esta fábrica de células microbianas futurista o sistema de generación de energía ".

Para ayudar con esto, el equipo está utilizando un video para examinar la eficiencia con la que viajan los electrones a través de estas distancias.

"Una cosa muy hermosa acerca de los cables de cristal es que podemos hacer videos de los electrones moviéndose, ", Dijo Kramer." Cuando un electrón está en un portador hemo, el transportista cambia de color. Podemos ver electrones moviéndose en tiempo real con una simple cámara de video. Esto nos permite probar si la teoría desarrollada para la transferencia de distancias cortas puede funcionar en distancias más largas. De hecho, el trabajo sugiere que algunos nuevos, e inesperado, Los factores pueden volverse importantes en estos sistemas de estado sólido. Este nuevo conocimiento está señalando el camino hacia la ingeniería de mejores cables ".

El juego de largo alcance con estos cables cristalinos es aprovechar la electricidad para aplicaciones útiles.

Una idea es conectar dos tipos de células vivas que normalmente serían incompatibles. Por ejemplo, una célula que almacena energía mediante la fotosíntesis podría "conectar" la energía a otra célula que la utilice para fabricar productos útiles. El enlace de cable permitiría que ambas reacciones ocurran de manera segura en el mismo espacio, ya que la fotosíntesis produce oxígeno, que es tóxico para muchos organismos.

"En efecto, Algunos científicos piensan que si podemos comprender y controlar mejor el flujo de electrones de los organismos vivos, Podríamos construir sistemas donde las células vivas se comuniquen directamente con dispositivos electrónicos, ", Agregó Ducat." Esta idea puede estar bastante alejada, sin embargo, estos dispositivos biohíbridos podrían tener una variedad de aplicaciones, desde los medicamentos hasta la producción de energía sostenible ".