Учёные впервые количественно изучили перенос электронов от минералов к микробам
Учёные получили первые количественные данные о переносе электронов от минералов к микробам, изучив этот процесс в природоподобной системе на основе белка и железосодержащих наночастиц.
Железо играет ключевую роль в биогеохимии окружающей среды. Оно легко обменивается электронами с микробами, превращаясь из более растворимого Fe(II) в менее растворимое Fe(III). Изучая этот обмен, исследователи лучше понимают цикл железа в природе и его связь с циклами углерода и активностью микробов.
Для исследования команда использовала «настраиваемые» наночастицы Fe3-xTixO4, в которых соотношение Fe(II)/Fe(III) контролируется заменой атомов Fe на атомы Ti в кристаллической решётке: чем больше Ti, тем больше Fe(II).
Команда подвергла наночастицы с разным соотношением Fe(II)/Fe(III) в растворе воздействию очищенного MtoA — железоокисляющего цитохрома из водного микроба Sideroxydans lithotrophicus ES-1. Они детально изучили кинетику окисления наночастиц цитохромом в реальном времени, in situ и с ангстремным разрешением, используя новый набор инструментов:
- Спектрометрия остановленной струи в EMSL: мониторинг изменений поглощения белка для расчёта кинетики реакции переноса электронов.
- Микро-рентгеновская дифракция в EMSL: показала изменения соотношения Fe(II)/Fe(III) в решётке наночастиц.
- Рентгеновская абсорбционная спектроскопия и спектроскопия магнитного кругового дихроизма на синхротроне Advanced Light Source: выявили изменения соотношения Fe(II)/Fe(III) и магнитных свойств на границе раздела наночастица-цитохром.
Было обнаружено, что MtoA извлекает электроны из структурного Fe(II) в наночастицах, начиная с поверхности и продолжая внутрь, оставляя после себя Fe(III) и не повреждая кристаллическую структуру. Также выяснилось: чем выше соотношение Fe(II)/Fe(III) в наночастицах, тем быстрее идёт перенос электронов.
Новая система может быть адаптирована для изучения других ключевых игроков в геохимии, таких как белки переноса электронов в Geobacter и Shewanella, а также железосодержащих минералов, таких как гематит. Такие фундаментальные исследования имеют широкие последствия — от улучшения биогеохимических и геонаучных моделей до понимания влияния использования наночастиц в биотехнологических приложениях, таких как биоремедиация и генерация энергии.