Les scientifiques ont obtenu les premières informations quantitatives sur le transfert d'électrons des minéraux aux microbes en étudiant ce transfert d'une manière inspirée par la nature, système de nanoparticules à base de protéines et de fer. Le fer joue un rôle crucial dans la biogéochimie environnementale. Il échange facilement des électrons avec les microbes, transformation de Fe(II) plus soluble en Fe(III) moins soluble. En étudiant cet échange, les chercheurs comprennent mieux le cycle du fer dans l'environnement et comment le cycle du fer, cyclisme carbone, et les activités microbiennes sont liées. Pour leurs études, l'équipe de recherche a utilisé Fe « accordable » 3-x Ti X O 4 nanoparticules dans lesquelles le rapport Fe(II)/Fe(III) est contrôlé en remplaçant les atomes de Fe par des atomes de Ti dans le réseau de nanoparticules - plus Ti, plus Fe(II).

L'équipe a exposé des nanoparticules avec différents rapports Fe(II)/Fe(III) en solution à du MtoA purifié, un cytochrome oxydant le fer provenant du microbe aquatique, Sideroxydans lithotrophicus ES-1. Ils ont détaillé la cinétique d'oxydation des nanoparticules par le cytochrome en temps réel, sur place, et avec une résolution de niveau Ångström à l'aide d'un nouvel ensemble d'outils. La spectrométrie à flux arrêté à l'EMSL a été utilisée pour surveiller les changements d'absorbance des protéines, qui ont été utilisés pour calculer la cinétique de réaction de transfert d'électrons. La diffraction des rayons X à l'EMSL a montré des changements dans le rapport Fe(II)/Fe(III) dans le réseau de nanoparticules. Des spectroscopies d'absorption de rayons X et de dichroïsme magnétique circulaire avec des ressources synchrotron à la source lumineuse avancée ont révélé des changements dans le rapport Fe(II)/Fe(III) ainsi que dans les propriétés magnétiques à l'interface nanoparticule-cytochrome. L'équipe a découvert que le MtoA extrayait les électrons du Fe(II) structurel dans les nanoparticules en commençant à la surface puis en continuant vers l'intérieur, laissant Fe(III) et n'endommageant pas la structure cristalline. Aussi, plus le rapport Fe(II)/Fe(III) dans les nanoparticules est élevé, plus le transfert d'électrons est rapide.

Le nouveau système de l'équipe peut être adapté pour étudier d'autres acteurs clés de la géochimie, tels que les protéines de transfert d'électrons dans Geobacter et Shewanella ainsi que les minéraux contenant du fer, comme l'hématite. Des études fondamentales telles que celles-ci ont de vastes implications - de l'amélioration des modèles prédictifs de la biogéochimie et des sciences de la Terre à la compréhension de l'impact de l'utilisation des nanoparticules pour des applications biotechnologiques, comme la bioremédiation et la production d'énergie.