A teoria anterior sobre como os elétrons se movem dentro dos nanocristais de proteínas pode não se aplicar em todos os casos
Crédito:The Journal of Chemical Physics (2024). DOI:10.1063/5.0186958 Os investigadores acreditam que a compreensão de como os eletrões se movem dentro de pequenos sistemas naturais poderia impulsionar um futuro mais sustentável para a nossa rede energética.
É, em parte, por isso que pesquisadores do Laboratório de Pesquisa de Plantas Energéticas do Departamento de Energia da Universidade Estadual de Michigan, ou PRL, estão analisando como os elétrons se movem dentro dos nanocristais de proteínas. Ao fazê-lo, descobriram que as teorias anteriores sobre o assunto podem não se aplicar a todos os casos. Seu trabalho mais recente para conciliar teoria e realidade resultou em uma publicação recente no Journal of Chemical Physics .
A história até agora
Em 2020, pesquisadores do laboratório de Dave Kramer na PRL observaram o fluxo de elétrons apontando uma fonte de luz para um cristal feito de proteínas que continha muitas moléculas chamadas hemes. As moléculas heme realizam uma série de processos biológicos importantes, como transportar oxigênio e elétrons.
Os pesquisadores descobriram que a taxa com que os elétrons saltam de um heme para outro dependia muito da temperatura do cristal. Este efeito da temperatura é muito importante porque pode indicar como os elétrons realizam seus saltos. Eles têm que passar por cima de uma grande barreira como um saltador com vara ou fazem saltos mais rasos como um saltador em distância? De acordo com a teoria anterior – que utilizou algumas suposições simplificadoras – não deveria ter sido dependente da temperatura.
“Obtivemos um resultado que está longe das teorias simplificadas”, disse Jingcheng Huang, autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado no laboratório Kramer.
“A teoria funciona na medida em que as constantes de taxa estão na ordem de grandeza correta, exceto se você começar a mudar a temperatura”, continuou Josh Vermaas, professor assistente do PRL e autor do estudo.
Esta estranha dependência da temperatura levou até agora a dois artigos que tentam explicar estes resultados. O primeiro foi publicado no Journal of the American Chemical Society em 2020. O artigo mais recente foi publicado no Journal of Chemical Physics .
Uma correspondência parcial
Como uma pessoa que atravessa um riacho saltando de pedra em pedra, os elétrons viajam através dos cristais saltando de heme em heme. Os pesquisadores puderam rastrear onde os elétrons estão no cristal com base na cor.
Hemes mudam de cor – de vermelho para rosa – e a propagação da mudança de cor permite que os pesquisadores observem o movimento dos elétrons no cristal. O que surpreendeu os pesquisadores foi que a mudança de cor foi controlada de forma mais drástica pela temperatura em comparação com o que era previsto pela teoria atual.
Usando simulações de computador conhecidas como dinâmica molecular com a ajuda do MSU Institute for Cyber-Enabled Research, os pesquisadores mostraram como essa transferência de energia – o movimento dos elétrons – acontece durante um curto período de tempo.
“A simulação computacional confirma o que observamos experimentalmente, pelo menos mais perto do que a teoria simplificada”, disse Huang. “A teoria e o experimento combinam parcialmente, mas ainda há algumas coisas que não foram incluídas na equação.”
“Obtemos uma resposta”, disse Vermaas. "Mas ainda há algo estranho acontecendo."
Para este artigo, os pesquisadores do PRL se uniram a William Parson, professor de bioquímica da Escola de Medicina da Universidade de Washington. O trabalho anterior de Parson ajudou a fornecer uma base para a pesquisa da PRL e invocou a teoria ganhadora do prêmio Nobel de Rudolph Marcus para explicar a rapidez com que os elétrons podem saltar de heme para heme.
"Dave sabia que eu estava tentando generalizar a equação semiclássica de Marcus para reações de transferência de elétrons e encontrar maneiras de evitar suas suposições mais problemáticas", explicou Parson. "Então, quando Jingcheng e Dave descobriram que a transferência de elétrons nos cristais do pequeno citocromo tetraheme era muito mais lenta do que a equação de Marcus previa, Dave perguntou se eu tinha alguma sugestão. Esse desafio me manteve acordado à noite por mais de três anos."
Ainda há mais a ser descoberto sobre este mistério, especialmente para os pesquisadores que trabalham para conectá-lo à energia através do foco principal de pesquisa do PRL:a fotossíntese.
“O objetivo inicial do meu projeto é tentar redirecionar a energia do aparato fotossintético para outros alvos, por exemplo, para enzimas que possam produzir biocombustível”, disse Huang.
"Esses tipos de cristais ou potencialmente outros meios de transferência de elétrons semelhantes poderiam ser usados para alimentar esse tipo de coisa", disse Vermaas. "Estamos muito longe, mas esse é o objetivo geral."
