Моделирование движения электронов по биологическим нанопроводам

Биологические нанопровода — микроскопические провода из белков, способные переносить электроны на большие расстояния.

В исследовании, опубликованном в журнале Small лабораторией Вермааса в MSU-DOE Plant Research Laboratory, ученые расширили понимание биологических нанопроводов с помощью компьютерного моделирования.

Мартин Кульке и команда лаборатории Вермааса смоделировали кристаллы, используя данные реальных экспериментов лаборатории Крамера в PRL. В тех экспериментах на белковый нанокристалл направляли источник света и вычисляли, как быстро возбужденные электроны перемещаются через него. Ключевым вопросом было, почему перенос электронов замедлялся с ростом температуры, хотя обычно на наноуровне процессы ускоряются.

Одна из гипотез заключалась в том, что расстояния, которые электронам нужно преодолевать внутри нанокристалла, могут увеличиваться с температурой, замедляя их движение.

«Мы смоделировали эти белковые нанокристаллы при разных температурах, чтобы проверить эту идею, — сказал Джош Вермаас, руководитель исследования. — Мы обнаружили, что сами по себе изменения расстояний при разных температурах не столь драматичны».

Когда исследователи начали манипулировать другими переменными, кроме температуры, они увидели интересную динамику «прыжков» электронов внутри нанопровода. Белковую сеть нанопровода делали длиннее, короче, толще и тоньше, чтобы выявить «узкие места» в потоке электронов внутри нанокристалла.

«Мы обнаружили, что в биологических нанопроводах перенос электронов зависит от движения самих белков в проводе, — сказал Кульке. — Это означает, что чем длиннее вы делаете эти нанопровода, тем меньше получаете электронного транспорта, а чем толще — тем больше».

Практическое применение биологических нанопроводов пока носит гипотетический характер, но понимание того, как их можно сконструировать для увеличения потока электронов, крайне важно для будущих попыток использовать их для связи биологических процессов с обычной электроникой.