密歇根州立大学 细胞移动电子的一种常见方式是在小的蛋白质电子载体上穿梭
这个横幅描绘了电子载体蛋白的再现，电子载体中心是红色的
信用:黄景成，博士后，MSU-美国能源部植物研究实验室 电子运动——科学家称之为电子转移——为生命的许多功能提供动力
例如，我们从食物中获得的大量能量被一个过程捕获，这个过程从食物分子(如糖或脂肪)中去除电子，并将它们转移到我们呼吸的氧气中
科学家们正试图从生物中获取电能，为我们的技术提供动力，并生产新产品，如高价值的医用化合物和作为清洁燃料来源的氢气
虽然我们有很多能力来控制金属或半导体中的电子转移，例如电池中的电子转移，但我们对生物系统中电子的控制更为有限
研究人员对极小距离(比如说几十个原子之间)的电子转移了解很多，但是电子在更大距离(甚至是一个细胞的长度)上移动的过程仍然有点神秘
在最近发表在《美国化学学会杂志》上的一项新研究中，大卫·M
密歇根州立大学约翰·克莱默
汉娜杰出教授和丹尼尔·杜凯特，MSU-美国能源部植物研究实验室的副教授，探索了电子如何在生物材料中长距离移动，例如蛋白质
理解在生物环境中控制电子转移的因素对于包括生物能源、生物合成和疾病在内的不同领域的进步至关重要
“细胞移动电子的一种常见方式是在小的蛋白质电子载体上穿梭，”生物能学和光合作用电子和质子转移反应专家克莱默解释说
“载流子是‘对接区’，以安全的方式将电子带到细胞周围
但是这种方法效率不是很高，因为没有方向；电子以随机的方式运动
此外，如果氧气遇到这些蛋白质，它可以劫持电子，形成有毒的活性氧，可以杀死细胞
" 这些问题使得科学家们不得不努力解决如何安全地瞄准电子从一点到另一点的运动
在这项研究中，实验室报告了一种新的固态系统
它由数十亿个生物电子载体(细胞色素，因其鲜艳的红色而得名)组成，排列在3D晶体中，因此它们的电子携带中心，称为hemes，几乎相互接触
加入晶体一部分的电子迅速从一个载体跳到另一个载体，穿过晶体的整个长度
晶体又长又薄，因此电子可以移动很远的距离
晶体也保护电子不与氧气相遇
这一特性可以使电子转移更安全、更有效
新系统模仿了某些细菌中发现的系统，如希瓦氏菌
这些生物进化出了被称为纳米线的结构，这种结构允许电子移动相当长的距离，大约与典型的细菌细胞一样长
相比之下，新的晶体纳米线要长得多，人们可以用肉眼看到它们
该团队将使用这一系统——这是第一次此类直接测试——来检验远程电子转移背后的挑战
“当一个系统包含成千上万个松散的部分时，电子传递会受到许多因素的影响，”合著者、克雷默和杜凯特实验室的研究助理黄景成说
“与单个点对点跳跃相比，系统越大，电子转移就越不可预测
如果没有一个物理模型，比如我们的晶体，很难将短程跳跃的动力学外推至更大的表面区域
我们的挑战将是找出如何在生物尺度上有效地长距离移动电子，例如微米，这是创建这种未来微生物细胞工厂或发电系统所必需的
" 为了帮助解决这个问题，该团队正在使用视频来检查电子在这些距离上的传输效率
克雷默说:“晶体线的一个非常美丽的地方是我们可以制作电子运动的视频。”
“当电子在血红素载体上时，载体会改变颜色
我们可以用一个简单的摄像机实时观察电子的运动
这使我们能够测试为短距离传输开发的理论是否可以在更长的距离上工作
事实上，这项工作表明，一些新的、意想不到的因素可能在这些固态系统中变得重要
这一新知识为制造更好的电线指明了方向
" 使用这些水晶线的远程游戏是利用电进行有用的应用
一个想法是连接两种通常不相容的活细胞
例如，一个通过光合作用储存能量的细胞可以将能量“连接”到另一个用它制造有用产品的细胞
由于光合作用产生氧气，而氧气对许多生物都是有毒的，所以有线连接可以让这两种反应在同一个空间安全发生
“事实上，一些科学家认为，如果我们能够更好地理解和控制来自活生物体的电子流，我们就可以建立活细胞与电子设备直接通信的系统，”杜凯特补充道
“这个想法可能还很遥远，但是这种生物混合装置可以有广泛的应用，从医药到可持续能源生产
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
