Os elétrons giram. É uma parte fundamental de sua existência. Alguns giram "para cima", enquanto outros giram "para baixo". Os cientistas sabem disso há cerca de um século, graças à física quântica.

Eles também sabem que os campos magnéticos podem afetar a direção do spin quântico de um elétron, virando-o de cima para baixo e vice-versa. E não é preciso muito:até mesmo uma célula bacteriana pode fazer isso.

Pesquisadores da USC Dornsife College of Letters, Artes e Ciências e o Instituto de Ciência Weizmann de Israel descobriram que os "fios" de proteínas que conectam uma célula bacteriana a uma superfície sólida tendem a transmitir elétrons com um determinado spin.

Essa capacidade de selecionar o spin quântico de um elétron pode ter implicações para o uso de bactérias na indústria de biotecnologia e nos esforços crescentes para criar células de energia baseadas em bactérias, bem como futuras tecnologias eletrônicas, eles disseram.

Vida nas rochas

Liderado por Moh El-Naggar da USC Dornsife, professor de física e astronomia e química, e Ron Naaman do Instituto Weizmann, os cientistas têm estudado certas bactérias que podem usar superfícies sólidas da mesma forma que animais usam oxigênio para respirar. Em vez de despejar elétrons gerados durante o metabolismo nas moléculas de oxigênio inaladas, as bactérias enviam os elétrons para baixo de proteínas especializadas que se conectam a uma superfície externa.

"Ao contrário da maioria dos organismos que são capazes de usar o oxigênio como aceitador de elétrons, "disse o associado sênior de pesquisa da USC Dornsife, Sahand Pirbadian, "essas bactérias transferem os elétrons para um mineral sólido ou, como fazem em nosso laboratório, aos eletrodos que estão fora da célula. "

Em termos de metabolismo, eles "respiram" os minerais ou eletrodos.

Para alcançar a superfície externa, os elétrons são transportados por várias moléculas de proteína que formam conduítes elétricos. Essas proteínas têm campos magnéticos que podem favorecer um determinado spin à medida que os elétrons passam.

Cientistas descobriram, diz Pirbadian, que esses campos magnéticos são afetados por uma característica das proteínas chamada "quiralidade".

Algumas palavras sobre quiralidade

Muitas moléculas, especialmente moléculas biológicas, aparecem em duas versões, cada um uma imagem espelhada do outro. Os cientistas chamam isso de "quiralidade". É semelhante às mãos humanas. As mãos esquerda e direita têm cinco dedos e um polegar, mas eles não são exatamente os mesmos. São as duas mãos, mas eles são imagens espelhadas um do outro, orientado em direções opostas. As moléculas podem ser da mesma forma, e de fato, os cientistas referem-se às moléculas quirais como canhotos ou destros.

O caráter destro ou canhoto de uma proteína pode afetar a polaridade dos campos magnéticos experimentados pelos elétrons à medida que eles se movem através da proteína. É o que acontece com os elétrons que viajam ao longo de um fio de proteína para chegar ao exterior de uma bactéria que respira rocha, de acordo com os pesquisadores.

"No momento em que os elétrons atravessam o fio da molécula, a maioria acaba tendo o mesmo spin quântico - para cima ou para baixo - dependendo da quiralidade, "disse El-Naggar, que detém a cadeira de início de carreira em ciências naturais Robert D. Beyer ('81). "Este estudo é o primeiro a confirmar que as proteínas condutoras de eletricidade nessas células estão selecionando o spin dos elétrons."

Colocando o giro em uso

El-Naggar e seus colegas estudaram essas bactérias "respiradoras de rocha", que um dia pode ser usado para produzir energia sustentável, por anos. Descobrir que as proteínas condutoras de elétrons nessas bactérias podem selecionar um determinado spin de elétrons com base em sua quiralidade pode ser útil no desenvolvimento de certos dispositivos eletrônicos chamados "spintrônica, "El-Naggar diz. Spintrônica usa não apenas a carga dos elétrons, mas também seu spin quântico e pode ser especialmente útil na computação quântica.

“Há uma busca contínua por materiais que possam servir de base para novas tecnologias spintrônicas, "disse El-Naggar." Nosso trabalho mostra que os citocromos bacterianos podem ser candidatos interessantes para a spintrônica.

Compreender como as proteínas afetam o spin quântico dos elétrons também pode ajudar os cientistas a entender como os campos magnéticos afetam alguns processos biológicos.

O estudo aparece como matéria de capa no 11 de dezembro, 2019, questão do Jornal da American Chemical Society .