Les électrons tournent. C'est un élément fondamental de leur existence. Certains tournent " vers le haut " tandis que d'autres tournent " vers le bas ". Les scientifiques le savent depuis environ un siècle, grâce à la physique quantique.

Ils savent également que les champs magnétiques peuvent affecter la direction du spin quantique d'un électron, en le retournant de haut en bas et vice versa. Et cela ne prend pas grand-chose :même une cellule bactérienne peut le faire.

Chercheurs de l'USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences et l'Institut des sciences Weizmann d'Israël ont découvert que les "fils" de protéines reliant une cellule bactérienne à une surface solide ont tendance à transmettre des électrons avec un spin particulier.

Cette capacité à sélectionner le spin quantique d'un électron pourrait avoir des implications pour l'utilisation de bactéries dans l'industrie de la biotechnologie et dans les efforts en plein essor pour créer des cellules énergétiques à base de bactéries, ainsi que les futures technologies électroniques, ils ont dit.

La vie sur les rochers

Dirigé par Moh El-Naggar de l'USC Dornsife, professeur de physique et d'astronomie et de chimie, et Ron Naaman de l'Institut Weizmann, les scientifiques ont étudié certaines bactéries qui peuvent utiliser des surfaces solides de la même manière que les animaux utilisent l'oxygène pour respirer. Au lieu de décharger les électrons générés pendant le métabolisme sur les molécules d'oxygène inhalées, les bactéries envoient les électrons vers des protéines spécialisées qui se branchent sur une surface externe.

"Contrairement à la plupart des organismes capables d'utiliser l'oxygène comme accepteur d'électrons, " a déclaré Sahand Pirbadian, associé de recherche principal à l'USC Dornsife, "ces bactéries transfèrent les électrons à un minéral solide ou, comme ils le font dans notre laboratoire, aux électrodes qui se trouvent à l'extérieur de la cellule."

En termes de métabolisme, ils "respirent" les minéraux ou électrodes.

Pour atteindre la surface externe, les électrons sont transportés à travers diverses molécules de protéines qui forment des conduits électriques. Ces protéines ont des champs magnétiques qui peuvent favoriser un spin particulier lors de la navette des électrons.

Les scientifiques ont trouvé, dit Pirbadian, que ces champs magnétiques sont affectés par une caractéristique des protéines appelée « chiralité ».

Quelques mots sur la chiralité

De nombreuses molécules, notamment les molécules biologiques, apparaissent en deux versions, chacun une image miroir de l'autre. Les scientifiques appellent cela la « chiralité ». C'est comme les mains humaines. Les mains gauche et droite ont quatre doigts et un pouce, mais ce ne sont pas exactement les mêmes. Ce sont les deux mains, mais ce sont des images miroir l'une de l'autre, orientés dans des directions opposées. Les molécules peuvent être de la même manière, et en fait, les scientifiques se réfèrent aux molécules chirales comme étant soit gauchers soit droitiers.

Le côté gaucher ou droitier d'une protéine peut affecter la polarité des champs magnétiques subis par les électrons lorsqu'ils font la navette à travers la protéine. C'est ce qui arrive à ces électrons qui voyagent le long d'un fil protéique pour atteindre l'extérieur d'une bactérie à respiration rocheuse, selon les chercheurs.

"Au moment où les électrons traversent le fil moléculaire, la majorité finissent par avoir le même spin quantique - vers le haut ou vers le bas - selon la chiralité, " dit El-Naggar, qui détient la chaire Robert D. Beyer ('81) en début de carrière en sciences naturelles. "Cette étude est la première à confirmer que les protéines électriquement conductrices de ces cellules sélectionnent le spin des électrons."

Mettre le spin à profit

El-Naggar et ses collègues ont étudié ces bactéries « rock-respiration », qui pourrait un jour être utilisé pour produire de l'énergie durable, pendant des années. Découvrir que les protéines conductrices d'électrons de ces bactéries peuvent sélectionner un spin électronique particulier en fonction de leur chiralité pourrait être utile pour développer certains dispositifs électroniques appelés "spintronique, " dit El-Naggar. La spintronique utilise non seulement la charge des électrons mais aussi leur spin quantique et peut être particulièrement utile en informatique quantique.

« Il y a une recherche permanente de matériaux pouvant servir de base à de nouvelles technologies spintroniques, " a déclaré El-Naggar. "Nos travaux montrent que les cytochromes bactériens peuvent être des candidats intéressants pour la spintronique."

Comprendre comment les protéines affectent le spin quantique des électrons pourrait également aider les scientifiques à comprendre comment les champs magnétiques affectent certains processus biologiques.

L'étude apparaît comme une histoire de couverture dans le 11 décembre, 2019, question de la Journal de l'American Chemical Society .