先前关于电子如何在蛋白质纳米晶体内移动的理论可能并不适用于所有情况

研究人员认为，了解电子如何在小型自然系统中移动可以为我们的能源网提供更可持续的未来。

这就是密歇根州立大学能源植物研究实验室(PRL)的研究人员正在研究电子如何在蛋白质纳米晶体内移动的部分原因。在这样做的过程中，他们发现先前关于该主题的理论可能并不适用于所有情况。他们调和理论与现实的最新工作现已在《化学物理杂志》上发表。

故事到目前为止

2020年，PRL戴夫·克莱默(DaveKramer)实验室的研究人员通过将光源指向由含有许多称为血红素的分子的蛋白质制成的晶体来观察电子流。血红素分子执行一系列重要的生物过程，例如携带氧气和电子。

研究人员发现，电子从一种血红素跳跃到另一种血红素的速率很大程度上取决于晶体的温度。这种温度效应非常重要，因为它可以指示电子如何跳跃。他们是否必须像撑竿跳高运动员那样越过一个大障碍，还是像跳远运动员那样进行更浅的跳跃?根据之前的理论(确实使用了一些简化的假设)，它不应该依赖于温度。

该研究的作者、克莱默实验室的博士后研究员JingChengHuang说：“我们得到的结果与简化的理论相去甚远。”

PRL助理教授、该研究的作者之一JoshVermaas继续说道：“只要速率常数处于正确的数量级，该理论就有效，除非你开始改变温度。”

迄今为止，这种奇怪的温度依赖性已经引发了两篇论文试图解释这些结果。第一篇发表在2020年的《美国化学会杂志》上。最新的论文发表在《化学物理杂志》上。

部分匹配

就像一个人通过在岩石之间跳跃来穿越河流一样，电子通过从一个血红素跳跃到另一个血红素来穿过晶体。研究人员可以根据颜色追踪电子在晶体中的位置。

血红素会改变颜色——从红色变成粉红色——颜色变化的扩散使研究人员能够观察电子在晶体中的移动。令研究人员惊讶的是，与当前理论预测的相比，颜色变化受温度控制的程度更大。

在密歇根州立大学网络支持研究所的帮助下，研究人员利用称为分子动力学的计算机模拟，展示了这种能量转移(电子的运动)如何在短时间内发生。

“计算机模拟证实了我们在实验中观察到的结果，至少比简化的理论更接近，”黄说。“理论和实验，它们部分匹配，但仍然有一些东西没有包含在方程中。”

“我们得到了答案，”维尔马斯说。“但仍然有一些奇怪的事情发生。”

在这篇论文中，PRL研究人员与华盛顿大学医学院生物化学教授WilliamParson合作。帕森的早期工作为PRL研究奠定了基础，并引用了鲁道夫·马库斯的诺贝尔奖获奖理论来解释电子从血红素跳跃到血红素的速度。

“戴夫知道我一直在试图推广电子转移反应的半经典马库斯方程，并寻找避免其最麻烦的假设的方法，”帕森解释道。“因此，当景成和戴夫发现小四血红素细胞色素晶体中的电子转移比马库斯方程预测的要慢得多时，戴夫问我是否有任何建议。这个挑战让我彻夜难眠三年多。”

这个谜团还有更多的谜团有待揭开，特别是对于那些致力于通过PRL的主要研究重点：光合作用将其与能量联系起来的研究人员来说。

“我的项目的最初目标是尝试将能量从光合作用装置转移到其他一些目标，例如可以生产生物燃料的酶，”黄说。

维尔马斯说：“这些类型的晶体或潜在的其他类似的电子传输介质可用于为此类事物提供动力。”“我们还有很长的路要走，但这就是总体目标。”