p O movimento do elétron - o que os cientistas chamam de transferência de elétrons - potencializa muitas das funções vitais. Por exemplo, uma boa parte da energia que derivamos dos alimentos que comemos é capturada por um processo que remove elétrons das moléculas dos alimentos, como açúcar ou gordura, e os transfere para o oxigênio que respiramos. p Os cientistas estão tentando colher eletricidade da biologia para alimentar nossas tecnologias e produzir novos produtos, tais como compostos médicos de alto valor e gás hidrogênio como uma fonte de combustível limpa. Embora tenhamos muita capacidade de controlar a transferência de elétrons em metais ou semicondutores, por exemplo em baterias, nosso controle sobre os elétrons na vida, sistemas biológicos é mais limitado. Os pesquisadores sabem muito sobre a transferência de elétrons em distâncias muito pequenas - digamos, através de dezenas de átomos - mas o processo de mover elétrons em distâncias maiores - até mesmo o comprimento de uma célula - permanece um mistério.

p Em um novo estudo, publicado recentemente no Jornal da American Chemical Society , os laboratórios de David M. Kramer, Professor Distinto da Universidade Estadual de Michigan John A. Hannah, e Daniel Ducat, professor associado do Laboratório de Pesquisa de Plantas MSU-DOE, explorar como os elétrons podem se mover por longas distâncias dentro de biomateriais, como proteínas. Compreender os fatores que controlam a transferência de elétrons em um contexto biológico é fundamental para avanços em diversos campos, incluindo bioenergia, biossíntese e doença.

p "Uma maneira comum de as células moverem elétrons é transportá-los em pequenos portadores de elétrons de proteínas, "explicou Kramer, um especialista em bioenergética e reações de transferência de elétrons e prótons de fotossíntese. "Os portadores são 'áreas de encaixe' que transportam os elétrons de uma maneira segura pela célula. No entanto, este método não é muito eficiente porque não é direcionado; os elétrons se movem de forma aleatória. Também, se o oxigênio encontrar essas proteínas, ele pode sequestrar os elétrons e formar espécies reativas tóxicas de oxigênio que podem matar a célula. "

p Esses problemas fizeram com que os cientistas lutassem para descobrir como direcionar com segurança o movimento dos elétrons de um ponto a outro.

p No estudo, os laboratórios relatam um novo sistema de estado sólido que faz exatamente isso. Consiste em bilhões de portadores de elétrons biológicos (citocromos, nomeados por suas cores vermelhas vivas) dispostos em um cristal 3D para que seus centros de transporte de elétrons, chamado hemes, estão quase em contato um com o outro. Elétrons adicionados a uma parte do cristal saltam rapidamente de um portador para outro, movendo-se por todo o comprimento do cristal.

p Os cristais são longos e finos, para que os elétrons se movam por grandes distâncias. Os cristais também protegem os elétrons do contato com o oxigênio. Esse recurso pode tornar a transferência de elétrons mais segura e eficiente.

p O novo sistema imita o encontrado em algumas bactérias, como Shewanella. Esses organismos desenvolveram estruturas, chamados nanofios, que permitem que os elétrons se movam por distâncias razoavelmente longas, quase tão longo quanto uma célula bacteriana típica. Os novos nanofios de cristal são tão mais longos em comparação que podem ser vistos a olho nu.

p A equipe usará este sistema - o primeiro teste direto desse tipo - para examinar os desafios por trás da transferência de elétrons de longo alcance.

p "Quando um sistema contém milhares de peças soltas, a transferência de elétrons é afetada por muitos fatores, "disse Jingcheng Huang, co-autor e associado de pesquisa nos laboratórios Kramer e Ducat. "Quanto maior o sistema, quanto mais imprevisível for a transferência de elétrons, em comparação com um único salto ponto a ponto. Sem um modelo físico para trabalhar, como nossos cristais, é difícil extrapolar a dinâmica de saltos curtos para áreas de superfície maiores. Nosso desafio será descobrir como mover de forma eficiente os elétrons por longas distâncias na escala biológica, como mícrons, que é necessário para criar esta fábrica futurística de células microbianas ou sistema de geração de energia. "

p Para ajudar com isso, a equipe está usando vídeo para examinar a eficiência com que os elétrons viajam por essas distâncias.

p "Uma coisa muito bonita sobre os fios de cristal é que podemos fazer vídeos dos elétrons se movendo, "Kramer disse." Quando um elétron está em um portador heme, a transportadora muda de cor. Podemos ver os elétrons se movendo em tempo real com uma simples câmera de vídeo. Isso nos permite testar se a teoria desenvolvida para transferência de curta distância pode funcionar em distâncias mais longas. Na verdade, o trabalho sugere que alguns novos, e inesperado, fatores podem se tornar importantes nesses sistemas de estado sólido. Este novo conhecimento está apontando o caminho para a engenharia de fios melhores. "

p O jogo de longo alcance com esses fios cristalinos é aproveitar a eletricidade para aplicações úteis.

p Uma ideia é conectar dois tipos de células vivas que normalmente seriam incompatíveis. Por exemplo, uma célula que armazena energia por fotossíntese poderia 'conectar' a energia a outra célula que a usa para fazer produtos úteis. A ligação do fio permitiria que ambas as reações ocorressem com segurança no mesmo espaço, uma vez que a fotossíntese produz oxigênio, que é tóxico para muitos organismos.

p "De fato, alguns cientistas pensam que se pudermos entender e controlar melhor o fluxo de elétrons dos organismos vivos, poderíamos construir sistemas onde células vivas se comunicassem diretamente com dispositivos eletrônicos, "Ducat acrescentou." Esta ideia pode estar muito longe, no entanto, tais dispositivos bio-híbridos podem ter uma gama de aplicações, de medicamentos à produção de energia sustentável. "