Os primeiros insights quantitativos sobre a transferência de elétrons de minerais para micróbios mostram que o citocromo, MtoA, extrai elétrons do Fe estrutural (II) em nanopartículas de fora para dentro, deixando para trás Fe (III) e não danificando a estrutura cristalina. Quanto maior a razão Fe (II) / Fe (III) nas nanopartículas, quanto mais rápida a transferência de elétrons.
Os cientistas obtiveram os primeiros insights quantitativos sobre a transferência de elétrons de minerais para micróbios ao estudar essa transferência em um ambiente inspirado na natureza, sistema de nanopartículas à base de proteínas e ferro. O ferro desempenha um papel crucial na biogeoquímica ambiental. Ele prontamente troca elétrons com micróbios, transformação de Fe (II) mais solúvel em Fe (III) menos solúvel. Ao estudar essa troca, pesquisadores entendem melhor a ciclagem do ferro no meio ambiente e como a ciclagem do ferro, ciclagem de carbono, e as atividades microbianas estão conectadas. Para seus estudos, a equipe de pesquisa usou Fe 'ajustável' 3-x Ti x O 4 nanopartículas em que a razão Fe (II) / Fe (III) é controlada pela substituição de átomos de Fe por átomos de Ti na rede de nanopartículas - quanto mais Ti, quanto mais Fe (II).
A equipe expôs nanopartículas com diferentes razões Fe (II) / Fe (III) em solução para MtoA purificado, um citocromo oxidante de ferro do micróbio aquático, Sideroxydans lithotrophicus ES-1. Eles detalharam a cinética de oxidação das nanopartículas pelo citocromo em tempo real, no local, e com resolução de nível Ångström usando um novo conjunto de ferramentas. A espectrometria de fluxo interrompido em EMSL foi usada para monitorar as mudanças de absorbância de proteínas, que foram usados para calcular a cinética da reação de transferência de elétrons. A difração de micro-raios X em EMSL mostrou mudanças na razão Fe (II) / Fe (III) na rede de nanopartículas. Espectroscopias de absorção de raios-X e dicroísmo circular magnético com recursos síncrotron na Fonte de Luz Avançada revelaram mudanças na razão Fe (II) / Fe (III), bem como nas propriedades magnéticas na interface nanopartícula-citocromo. A equipe descobriu que MtoA extraiu elétrons de Fe estrutural (II) nas nanopartículas começando na superfície e continuando para o interior, deixando para trás Fe (III) e não danificando a estrutura cristalina. Também, quanto maior a razão Fe (II) / Fe (III) nas nanopartículas, quanto mais rápida a transferência de elétrons.
O novo sistema da equipe pode ser adaptado para estudar outros jogadores-chave em geoquímica, tais como proteínas de transferência de elétrons em Geobacter e Shewanella, bem como minerais contendo ferro, como hematita. Estudos fundamentais como esses têm amplas implicações - desde modelos preditivos aprimorados de biogeoquímica e ciências da terra até a compreensão do impacto do uso de nanopartículas para aplicações biotecnológicas, como biorremediação e geração de energia.
