Den Elektronenfluss in Zellen nutzen
Der Elektronentransfer wird von Mitochondrien und Chloroplasten und in einzelligen Organismen wie Bakterien verwendet. Elektronen werden von einem Donor (der Elektronen verliert und oxidiert wird) zu einem Akzeptor (der Elektronen gewinnt und reduziert wird) übertragen. Diese Reduktions-Oxidations-Reaktionen (Redox) sind ein wesentlicher Bestandteil des Energiekreislaufs. Jüngste Fortschritte bei den Einzelmolekül-Aufnahmetechniken wurden erfolgreich auf größere Architekturen wie DNA angewendet. Das EU-geförderte Projekt SINGLE-BIOET (Single-molecule junction capabilities to map the electron pathways in redox bio-molecular architectures) erforschte sequenzielle Elektronentransferwege innerhalb einer einzelnen biomolekularen Struktur. Kupfer in dem blauen Kupfer-Azurin-Metalloprotein von Bakterien durchläuft eine Redox-Reaktion, die mit seiner Elektronentransportkette in Verbindung steht. Die Forscher veränderten Positionen auf dem Molekül mit Einheiten, welche die Einzelmolekülbindungen mithilfe von ortsgerichteter Mutagenese verbessern. Sie schufen Einzelmolekülverbindungen an diesen Positionen auf der äußeren Schale des Proteins, um dominante Parameter in der Elektronentransportkette zu erforschen. Die Wissenschaftler etablierten die experimentelle Technik, um Einzelmolekülverbindungen zu schaffen. Die Ergebnisse der ortsgerichteten Mutagenese wurden mithilfe von Fluoreszenz und elektrochemisch getestet. Die Leitfähigkeit wurde in mutantem und Wildtyp-Azurin gemessen und lieferte Erkenntnisse sowohl zur Nutzung der experimentellen Technik als auch zum Elektronentransport. Die Unterschiede in der Leitfähigkeit zwischen Wild- und Mutantentypen demonstrierten, dass es möglich ist, den Ladungstransport in nanoskaligen molekularen Geräten zu modulieren, einfach durch eine Point-Site-Modifikation des biomolekularen Rückgrats. Ein ortsgerichtetes Mutagenese-Schema führte zu den letzten neun ausgewählten Resten der äußeren Azurinstruktur. Alle purifizierten Mutanten wurden hinsichtlich Aktivität und struktureller Faltung beschrieben. Der Vergleich zwischen Wildtyp-Transport und der mutierten Varianten lieferte Informationen über die Wege durch die komplexe Metalloproteinstruktur sowie technische Details zur Single-Protein-Brückenbildung. Die Einzelmolekülleitfähigkeitsmessung auf den modifizierten Proteinen zeigte eine geringere Streuung im Vergleich zum Wildtyp. Dies deutet auf die eingeschränktere Proteinorientierung dank der stärkeren Thiol-Bindung an den beiden Verbindungselektroden hin. Auch die Lebensdauer von einzelsträngigen Proteinen war in den mutanten Fällen höher, was mit einem neu implementierten Blinking-Tool gemessen wurde. Schließlich wich die elektrochemische Gating-Reaktion der einzel-mutierten Drähte vollständig vom Wildtyp ab, was die Machbarkeit des biotechnischen Ladungstransports in einem nanoskaligen biomolekularen Draht beweist. Die Charakterisierung der Ladungstransportmechanismen wird erhebliche Auswirkungen auf dem aufstrebenden Gebiet der Bioelektronik haben. Sie wird die Integration von biologischen Strukturen als Bauteile von optoelektronischen Bauelementen erleichtern.
Schlüsselbegriffe
Elektronentransport, Bioelektronik, Redox, SINGLE-BIOET, Azurin-Metalloprotein