Kontrolowanie przepływu elektronów w komórkach
Transport elektronów zachodzi w mitochondriach i chloroplastach oraz organizmach jednokomórkowych, takich jak bakterie. Elektrony przenoszone są z donora (który traci elektrony i jest utleniany) na akceptor (który otrzymuje elektrony, jest więc redukowany). Te reakcje redoks (utleniania i redukcji) są niezbędne dla cyklu przetwarzania energii. Niedawne postępy w technikach rejestrowania pojedynczych cząsteczek zostały z powodzeniem zastosowane do tak dużych struktur jak DNA. W ramach projektu SINGLE-BIOET (Single-molecule junction capabilities to map the electron pathways in redox bio-molecular architectures), finansowanego ze środków UE, zbadano szlaki sekwencyjnego transportu elektronów w obrębie pojedynczej struktury biomolekularnej. W azurynie, niebieskiej metaloproteinie bakteryjnej, miedź jest poddawana utlenianiu i redukcji w ramach łańcucha transportu elektronów. Przy pomocy mutagenezy sterowanej naukowcy zmodyfikowali położenie w cząsteczce elementów, które sprzyjają wiązaniu pojedynczych cząsteczek. Następnie stworzyli w tych miejscach połączenia z pojedynczymi cząsteczkami na zewnętrznej powierzchni białka, aby badać dominujące parametry w łańcuchu transferu elektronowego. Naukowcy stworzyli technikę eksperymentalną umożliwiającą tworzenie połączeń z pojedynczymi cząsteczkami. Wyniki mutagenezy sterowanej przetestowano przy pomocy metod fluorescencyjnych i elektrochemicznych. Zmierzono przewodność azuryny zmutowanej i typu dzikiego, uzyskując wiedzę na temat zastosowanej techniki eksperymentalnej i transportu elektronów. Różnice w przewodności pomiędzy typem zmutowanym i dzikim dowiodły użyteczności modulowania transportu ładunku w urządzeniach molekularnych w skali nano poprzez proste modyfikacje punktowe szkieletów biocząsteczek. System mutagenezy sterowanej pozwolił na uzyskanie ostatecznie dziewięciu wybranych resztek zewnętrznej struktury azuryny. Wszystkie oczyszczone mutanty zostały scharakteryzowane pod kątem swojej aktywności, jak i zwijania strukturalnego. Porównanie odmian dzikich i zmutowanych dostarczyło informacji na temat szlaków wiodących przez złożoną strukturę metaloproteiny oraz szczegółów technicznych na temat formowania się mostków z jednego białka. Pomiary przewodności jednocząsteczkowej na zmodyfikowanych białkach wskazały na mniejszą dyspersję niż w przypadku typu dzikiego. Sugeruje to bardziej ograniczone zorientowanie białka dzięki silniejszemu przyłączeniu tiolowemu do dwóch elektrod łączących. U mutantów dochodziło także do wydłużeniu czasu życia pojedynczych białek, co zmierzono przy pomocy nowo powstałego narzędzia migającego. Wreszcie, reakcja bramek elektrochemicznych przewodów z pojedynczych mutantów różniła się całkowicie od dzikiego odpowiednika, co otwiera możliwość bioinżynierii transportu ładunków w nanoskalowym przewodzie biomolekularnym. Podsumowując, charakterystyka mechanizmów transportu ładunku będzie miała istotne implikacje dla nowej dziedziny, jaką jest bioelektronika. Ułatwi ona integrację struktur biologicznych jako komponentów urządzeń optoelektronicznych.
Słowa kluczowe
Transport elektronów, bioelektronika, redoks, SINGLE-BIOET, metaloproteina azuryna
