Los electrones giran. Es parte fundamental de su existencia. Algunos giran "hacia arriba" mientras que otros giran "hacia abajo". Los científicos lo saben desde hace aproximadamente un siglo, gracias a la física cuántica.

También han sabido que los campos magnéticos pueden afectar la dirección del giro cuántico de un electrón, voltearlo de arriba a abajo y viceversa. Y no se necesita mucho:incluso una célula bacteriana puede hacerlo.

Investigadores del Colegio de Letras de USC Dornsife, Arts and Sciences y el Instituto de Ciencias Weizmann de Israel han descubierto que los "cables" de proteínas que conectan una célula bacteriana a una superficie sólida tienden a transmitir electrones con un giro particular.

Esta capacidad para seleccionar el espín cuántico de un electrón podría tener implicaciones para el uso de bacterias en la industria de la biotecnología y en los crecientes esfuerzos para crear células de energía basadas en bacterias. así como las futuras tecnologías electrónicas, ellos dijeron.

Vida en las rocas

Dirigido por Moh El-Naggar de USC Dornsife, profesor de física y astronomía y química, y Ron Naaman del Instituto Weizmann, los científicos han estado estudiando ciertas bacterias que pueden usar superficies sólidas de la misma manera que los animales usan oxígeno para respirar. En lugar de descargar electrones generados durante el metabolismo en moléculas de oxígeno inhaladas, las bacterias envían los electrones por proteínas especializadas que se conectan a una superficie externa.

"A diferencia de la mayoría de los organismos que pueden utilizar oxígeno como aceptor de electrones, ", dijo el investigador asociado sénior de USC Dornsife, Sahand Pirbadian, "estas bacterias transfieren los electrones a un mineral sólido o, como lo hacen en nuestro laboratorio, a los electrodos que están fuera de la celda ".

En términos de metabolismo, ellos "respiran" los minerales o electrodos.

Para llegar a la superficie externa, los electrones se transportan a través de varias moléculas de proteínas que forman conductos eléctricos. Estas proteínas tienen campos magnéticos que pueden favorecer un giro particular a medida que los electrones se desplazan.

Los científicos encontraron, dice Pirbadian, que estos campos magnéticos se ven afectados por una característica de las proteínas llamada "quiralidad".

Algunas palabras sobre quiralidad

Muchas moléculas especialmente moléculas biológicas, aparecen en dos versiones, cada uno una imagen especular del otro. Los científicos llaman a esto "quiralidad". Es similar a las manos humanas. Las manos izquierda y derecha tienen cinco dedos y un pulgar, pero no son exactamente iguales. Son ambas manos pero son imágenes especulares el uno del otro, orientado en direcciones opuestas. Las moléculas pueden ser de la misma manera, y de hecho, los científicos se refieren a las moléculas quirales como zurdas o diestras.

El ser diestro o zurdo de una proteína puede afectar la polaridad de los campos magnéticos que experimentan los electrones cuando se desplazan a través de la proteína. Eso es lo que les sucede a los electrones que viajan a lo largo de un cable de proteína para llegar al exterior de una bacteria que respira rocas. según los investigadores.

"Para cuando los electrones atraviesan el cable de la molécula, la mayoría terminan teniendo el mismo giro cuántico, hacia arriba o hacia abajo, según la quiralidad, "dijo El-Naggar, quien ocupa la cátedra Robert D. Beyer ('81) de carrera temprana en ciencias naturales. "Este estudio es el primero en confirmar que las proteínas conductoras de la electricidad en estas células seleccionan el giro de los electrones".

Poniendo el giro en uso

El-Naggar y sus colegas han estudiado estas bacterias que "respiran rocas", que algún día podría utilizarse para producir energía sostenible, durante años. Descubrir que las proteínas conductoras de electrones en estas bacterias pueden seleccionar un espín de electrones en particular en función de su quiralidad podría ser útil para desarrollar ciertos dispositivos electrónicos llamados "espintrónica," “Dice El-Naggar. La espintrónica usa no solo la carga de los electrones sino también su espín cuántico y puede ser especialmente útil en la computación cuántica.

"Existe una búsqueda constante de materiales que puedan servir como base para nuevas tecnologías espintrónicas, ", dijo El-Naggar." Nuestro trabajo muestra que los citocromos bacterianos pueden ser candidatos interesantes para la espintrónica ".

Comprender cómo las proteínas afectan el giro cuántico de los electrones también podría ayudar a los científicos a comprender cómo los campos magnéticos afectan algunos procesos biológicos.

El estudio aparece como artículo de portada en el 11 de diciembre de 2019, cuestión de la Revista de la Sociedad Química Estadounidense .