Picosekundowy transfer elektronów w peptydach może wspierać technologie energetyczne

Przepływy energii biologicznej, podobnie jak w przypadku fotosyntezy i oddychania, zależą od przenoszenia elektronów z jednej cząsteczki do drugiej. Pomimo ich znaczenia dla podtrzymywania życia, czynniki determinujące szybkość transferu elektronów, zwłaszcza na duże odległości, nie są dobrze poznane, ponieważ systemy, które pośredniczą w takich ultraszybkich procesach, są bardzo złożone. Lepsze zrozumienie szybkości transferu elektronów pomogłoby naukowcom ulepszyć przemiany chemiczne, konwersję energii, urządzenia elektroniczne i technologie fotoniczne.

Teraz międzynarodowy zespół naukowców pod kierownictwem UC Riverside zaobserwował pikosekundowy transfer ładunku, w którym pośredniczą wiązania wodorowe w peptydach. Pikosekunda to bilionowa część sekundy. Jako krótkołańcuchowe analogi białek, kluczowe elementy budulcowe organizmów żywych, peptydy są łańcuchami chemicznie połączonych aminokwasów. Odkrycie pokazuje rolę wiązań wodorowych w przenoszeniu elektronów. Wyniki zostaną opublikowane w Procedura National Academy of Sciences.

Valentine Vullev, profesor bioinżynierii w Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering na UC Riverside, kierował zespołem wraz z Danielem Gryko z Polskiej Akademii Nauk i Harrym Grayem z California Institute of Technology, który odkrył niezwykle ultraszybki transfer elektronów od dawcy dla cząsteczki akceptora przyłączonej do łączników oligopeptydowych, które rozciągają się do 20 wiązań kowalencyjnych. W przypadku peptydów o tak dużych odległościach przeplotu, przeniesienie elektronu zajmuje zwykle mikrosekundę lub milionową część sekundy.

Naukowcy byli zaskoczeni, obserwując pikosekundowy transfer elektronów, który jest 1 milion razy szybszy niż wcześniej znany w takich systemach.

„To nie powinno działać, ale działa” – powiedział Vullev. „Obserwowany pikosekundowy transfer ładunku jest sprzeczny z biologią strukturalną przy założeniu oczekiwanego losowego rozmieszczenia struktur elastycznych łańcuchów peptydowych”.

Zespół wybrał cząsteczki dawcy i receptora połączone krótkimi peptydami. W rzeczywistości odkryli dobrze zdefiniowane struktury, które są stabilizowane przez wiązania wodorowe. Dalsza analiza wykazała, że ​​wiązania wodorowe w każdej cząsteczce zbliżyły donor i akceptor do siebie w architekturze molekularnej w kształcie skorpiona i umożliwiły pikosekundowy transfer elektronów.

„Ten rewolucyjny projekt pokazuje, że krótkie peptydy mogą nie tylko przyjmować dobrze określone konformacje wtórne, gdy są używane jako matryca przez składniki organiczne, ale także zapewniają sieć wiązań wodorowych, która może pośredniczyć w przenoszeniu elektronów z niezwykle wysoką wydajnością” – powiedział Vullev. „Nasza praca oferuje bezprecedensowe paradygmaty projektowania i rozwoju ścieżek przenoszenia ładunku wzdłuż elastycznych mostów, a także wgląd w motywy strukturalne pośredniczące w przenoszeniu elektronów w białkach”.

Wyniki mogą doprowadzić do postępów w magazynowaniu energii i rozwoju organicznej elektroniki wykorzystującej przewodzące polimery zamiast przewodzących minerałów.

„Jedną z najbardziej ekscytujących i satysfakcjonujących części pracy w naszej grupie jest bycie w czołówce takich odkryć i obserwowanie tych spektakularnych wyników” – powiedział współautor John Clark, doktorant w laboratorium Vulleva, który przeprowadza pomiary fotochemiczne do celów badawczych. wykonane.

Praca „Rola wewnątrzcząsteczkowych wiązań wodorowych w promowaniu przepływu elektronów przez koniugaty aminokwasów i oligopeptydów”