Le mouvement des électrons, ce que les scientifiques appellent le transfert d'électrons, alimente de nombreuses fonctions de la vie. Par exemple, une bonne partie de l'énergie que nous tirons des aliments que nous mangeons est captée par un processus qui élimine les électrons des molécules alimentaires, comme le sucre ou la graisse, et les transfère à l'oxygène que nous respirons.

Les scientifiques essaient de récupérer l'électricité de la biologie pour alimenter nos technologies et produire de nouveaux produits, tels que les composés médicaux de grande valeur et l'hydrogène gazeux comme source de carburant propre. Bien que nous ayons beaucoup de capacité à contrôler le transfert d'électrons dans les métaux ou les semi-conducteurs, par exemple dans les batteries, notre contrôle sur les électrons dans la vie, systèmes biologiques est plus limitée. Les chercheurs en savent beaucoup sur le transfert d'électrons sur de très petites distances - disons à travers des dizaines d'atomes - mais le processus de déplacement des électrons sur de plus grandes distances - même la longueur d'une cellule - reste quelque peu mystérieux.

Dans une nouvelle étude, récemment publié dans le Journal de l'American Chemical Society , les laboratoires de David M. Kramer, Michigan State University John A. Hannah Professeur émérite, et Daniel Ducat, professeur agrégé au Laboratoire de recherche sur les plantes MSU-DOE, explorer comment les électrons peuvent se déplacer sur de longues distances dans les biomatériaux, comme les protéines. Comprendre les facteurs qui contrôlent le transfert d'électrons dans un contexte biologique est essentiel aux avancées dans divers domaines, dont la bioénergie, biosynthèse et maladie.

"Une façon courante pour les cellules de déplacer les électrons est de les déplacer sur de petits transporteurs d'électrons protéiques, " a expliqué Kramer, expert en bioénergétique et réactions de transfert d'électrons et de protons de la photosynthèse. "Les porteurs sont des "zones d'accueil" qui transportent les électrons de manière sûre autour de la cellule. Cependant, cette méthode n'est pas très efficace car non dirigée; les électrons se déplacent de manière aléatoire. Aussi, si l'oxygène rencontre ces protéines, il peut détourner les électrons et former des espèces réactives de l'oxygène toxiques qui peuvent tuer la cellule."

Ces problèmes ont amené les scientifiques à se demander comment cibler en toute sécurité le mouvement des électrons d'un point à un autre.

Dans l'étude, les laboratoires signalent un nouveau système à semi-conducteurs qui fait exactement cela. Il se compose de milliards de porteurs biologiques d'électrons (cytochromes, nommés pour leurs couleurs rouges vives) disposés dans un cristal 3D de sorte que leurs centres porteurs d'électrons, appelé hèmes, sont presque en contact les uns avec les autres. Les électrons ajoutés dans une partie du cristal sautent rapidement d'un porteur à un autre, se déplaçant sur toute la longueur du cristal.

Les cristaux sont longs et fins, de sorte que les électrons se déplacent sur de grandes distances. Les cristaux protègent également les électrons de la rencontre avec l'oxygène. Cette caractéristique pourrait rendre le transfert d'électrons plus sûr et plus efficace.

Le nouveau système imite celui de certaines bactéries, comme Shewanella. Ces organismes ont des structures évoluées, appelés nanofils, qui permettent aux électrons de se déplacer sur des distances assez longues, environ aussi long qu'une cellule bactérienne typique. Les nouveaux nanofils de cristal sont tellement plus longs en comparaison qu'on peut les voir à l'œil nu.

L'équipe utilisera ce système, le premier test direct de ce type, pour examiner les défis du transfert d'électrons à longue distance.

« Lorsqu'un système contient des milliers de pièces détachées, le transfert d'électrons est influencé par de nombreux facteurs, " a déclaré Jingcheng Huang, co-auteur et associé de recherche dans les laboratoires Kramer et Ducat. « Plus le système est grand, plus le transfert d'électrons est imprévisible, par rapport à un seul saut point à point. Sans modèle physique avec lequel travailler, comme nos cristaux, il est difficile d'extrapoler la dynamique des sauts courts sur des surfaces plus grandes. Notre défi sera de comprendre comment déplacer efficacement les électrons sur de longues distances à l'échelle biologique, tels que les microns, ce qui est nécessaire pour créer cette usine de cellules microbiennes futuriste ou ce système de production d'électricité. »

Pour vous aider, l'équipe utilise la vidéo pour examiner l'efficacité avec laquelle les électrons se déplacent sur ces distances.

"Une très belle chose à propos des fils de cristal, c'est que nous pouvons faire des vidéos des électrons en mouvement, " Kramer a déclaré. "Quand un électron est sur un porteur d'hème, le porteur change de couleur. Nous pouvons voir les électrons se déplacer en temps réel avec une simple caméra vidéo. Cela nous permet de tester si la théorie développée pour le transfert à courte distance peut fonctionner sur de plus longues distances. En réalité, le travail suggère que certains nouveaux, et inattendu, facteurs peuvent devenir importants dans ces systèmes à semi-conducteurs. Ces nouvelles connaissances ouvrent la voie à la conception de meilleurs fils."

Le jeu à longue portée avec ces fils cristallins est d'exploiter l'électricité pour des applications utiles.

Une idée est de connecter deux types de cellules vivantes qui seraient normalement incompatibles. Par exemple, une cellule qui stocke de l'énergie par photosynthèse pourrait « câbler » l'énergie à une autre cellule qui l'utilise pour fabriquer des produits utiles. La liaison filaire permettrait aux deux réactions de se produire en toute sécurité dans le même espace puisque la photosynthèse produit de l'oxygène, qui est toxique pour de nombreux organismes.

"En effet, certains scientifiques pensent que si nous pouvons mieux comprendre et contrôler le flux d'électrons des organismes vivants, nous pourrions construire des systèmes où les cellules vivantes communiquent directement avec des appareils électroniques, " ajouta Ducat. " Cette idée est peut-être bien loin, cependant de tels dispositifs bio-hybrides pourraient avoir une gamme d'applications, des médicaments à la production d'énergie durable.