Istraživači veruju da bi razumevanje kako se elektroni kreću unutar malih, prirodnih sistema moglo da napaja održiviju budućnost naše energetske mreže.
To je, delimično, razlog zašto istraživači sa Laboratorije za istraživanje energetskih postrojenja Mičigenskog državnog univerziteta, ili PRL, gledaju kako se elektroni kreću unutar proteinskih nanokristala. Čineći to, otkrili su da prethodne teorije o ovoj temi možda nisu primenljive u svakom slučaju. Njihov najnoviji rad na pomirenju teorije i stvarnosti doveo je do nedavne publikacije u časopisu Journal of Chemical Phisics.
2020. godine, istraživači u laboratoriji Davea Kramera u PRL-u su posmatrali protok elektrona usmeravanjem izvora svetlosti na kristal napravljen od proteina koji sadrži mnogo molekula zvanih hemovi. Molekuli hema imaju niz važnih bioloških procesa koje obavljaju, poput prenošenja kiseonika i elektrona.
Istraživači su otkrili da brzina kojom elektroni skaču sa jednog hema na drugi u velikoj meri zavisi od temperature kristala. Ovaj temperaturni efekat je veoma važan jer može ukazati na to kako elektroni prave svoje skokove. Da li moraju da pređu preko velike barijere poput skakača s motkom, ili prave pliće skokove kao skakač u dalj? Prema prethodnoj teoriji – koja je koristila neke pojednostavljujuće pretpostavke – nije trebalo da zavisi od temperature.
„Dobili smo rezultat koji je daleko od pojednostavljenih teorija“, rekao je Jingcheng Huang, autor studije i postdoktorski istraživač u laboratoriji Kramer.
„Teorija funkcioniše sve dok su konstante brzine na pravom redu veličine, osim ako počnete da menjate temperaturu“, nastavio je Džoš Vermas, docent na PRL-u i autor studije.
Ova čudna temperaturna zavisnost dovela je do dva dosadašnja rada koja pokušavaju da objasne ove rezultate. Prvi je objavljen u Journal of the American Chemical Societi 2020. Najnoviji rad je objavljen u Journal of Chemical Phisics.
Poput osobe koja prelazi potok skačući kamen na stenu, elektroni putuju kroz kristale skačući sa hema na hem. Istraživači su mogli da prate gde se nalaze elektroni u kristalu na osnovu boje.
Hemovi menjaju boju – od crvene do ružičaste – a širenje promene boje omogućava istraživačima da posmatraju kretanje elektrona u kristalu. Ono što je iznenadilo istraživače je da je promena boje drastičnije kontrolisana temperaturom u poređenju sa onim što je predviđala trenutna teorija.
Koristeći kompjuterske simulacije poznate kao molekularna dinamika uz pomoć Instituta za sajber-omogućena istraživanja MSU, istraživači su pokazali kako se ovaj prenos energije — kretanje elektrona — dešava u kratkom vremenskom periodu.
„Kompjuterska simulacija potvrđuje ono što smo eksperimentalno posmatrali, barem bliže od pojednostavljene teorije“, rekao je Huang. „Teorija i eksperiment, delimično se poklapaju, ali još uvek postoje neke stvari koje nisu uključene u jednačinu.
„Dobili smo odgovor“, rekao je Vermaas. „Ali još uvek se dešava nešto fanki.“
Za ovaj rad, istraživači PRL-a su se udružili sa Vilijamom Parsonom, profesorom biohemije sa Medicinskog fakulteta Univerziteta u Vašingtonu. Parsonov raniji rad pomogao je da se obezbedi osnova za istraživanje PRL i pozvao na teoriju Rudolfa Markusa dobitnika Nobelove nagrade da objasni koliko brzo elektroni mogu da skaču od hema do hema.
„Dejv je znao da sam pokušavao da generalizujem poluklasičnu Markusovu jednačinu za reakcije prenosa elektrona i da pronađem načine da izbegnem njene najteže pretpostavke“, objasnio je Parson. „Dakle, kada su Jingcheng i Dave otkrili da je prenos elektrona u kristalima malog tetrahemskog citokroma mnogo sporiji nego što je Markusova jednačina predvidela, Dejv je pitao da li imam neke predloge. Taj izazov me je držao budnim noću više od tri godine.“
Ima još toga da se otkrije sa ovom misterijom, posebno za istraživače koji rade na povezivanju sa energijom kroz primarni fokus istraživanja PRL-a: fotosintezu.
„Početni cilj mog projekta je da pokušam da preusmerim energiju iz fotosintetskog aparata na neke druge mete, na primer, na enzime koji mogu da proizvedu biogorivo“, rekao je Huang.
„Ove vrste kristala ili potencijalno drugi slični mediji za prenos elektrona mogli bi se koristiti za pokretanje takve stvari“, rekao je Vermaas. „Daleko smo, ali to je opšti cilj.“
