Сканирующая туннельная микроскопия помогла коллективу исследователей из США и Венгрии выяснить, что молекулы белка интегрина αVβ3 способны проводить электрический ток короткими миллисекундными импульсами с амплитудой до одного наноампера. Результаты дополнительных экспериментов и квантово-химического моделирования показали, что полученные данные связаны именно с молекулярной проводимостью. Результаты исследования опубликованы в Nano Futures.
Основным механизмом молекулярной проводимости в полимерных молекулах считается распространение электронов по системе сопряженных двойных связей. Типичным примером проводящего полимера является полианилин. Белковые молекулы являются выраженными диэлектриками. Но из-за того, что многие из них содержат функциональные группы, которые легко восстановить или окислить до проводящего состояния, некоторые ученые предполагали, что такие белки можно перевести из диэлектрического состояние в проводящее. К настоящему моменту были получены данные, которые косвенно подтверждали возможное наличие молекулярной проводимости в отдельных белковых молекулах, однако однозначно связать их именно с молекулярной проводимостью не удавалось.
В своей новой работе группа ученых из США и Венгрии обнаружила у белкового кристалла, который не проявляет электрохимической активности, фазу, для которой характерна высокая проводимость. Химики исследовали белок массой 200 килодальтон, входящий во внеклеточную часть интегрина типа αVβ3 — мембранного рецептора, который отвечает за передачу межклеточного сигнала. Анализ электронной проводимости такой молекулы проводился с использованием специальной ячейки с помощью сканирующей туннельной микроскопии.
С помощью циклических полипептидов концы белка присоединялись к двум палладиевым электродам, между которыми подавалась электродами подавалась разность потенциалов до 500 милливольт. Белок помещался внутрь ячейки в фосфатном буфере и измерялось три типа сигнала: ток фона (фосфатного буфера без белка), ток системы сравнения (фосфатного буфера с аналогичным по строению белком интегрина α4β1) и непосредственно ток изучаемой системы.
Оказалось, что ток системы сравнения не отличался от фонового тока, в то время как для изучаемого белка химикам удалось измерить импульсы тока длиной в несколько миллисекунд и амплитудой до 0,5 наноампера. При этом продолжительность и амплитуда измеренных импульсов зависела от приложенного напряжения.
При разностях потенциалов больше 100 милливольт для молекулы было характерно наличие второй проводящей конфигурации. Образование такого короткоживущего состояния приводило к появлению в спектре очень короткие импульсы длительностью несколько наносекунд амплитудой до одного наноампера, частота которых увеличивалась при повышении разности потенциалов. Такие наблюдения согласуются с данными квантово-химического моделирования и объясняют образование проводящих состояний белковой молекулы переходом между зонным и локализованным состоянием электронов.
Основной задачей исследователей было точно определить источник полученных сигналов и исключить побочные эффекты, которые могли бы привести к получению такого сигнала. Поскольку расстояние до зонда микроскопа было достаточно большим (около 5 нанометров), обнаруженный эффект не может объясняться туннелированием электронов. Кроме того, химикам удалось показать, что измеренный ток не является следствием побочных электрохимических эффектов, и в процессе эксперимента белки сохраняют свою начальную структуру при возможном нагревании и не переходят в квантово-когерентное состояние, которое также может влиять на проводимость.
По утверждению ученых, полученные ими результаты подтверждают возможность образования проводящих состояний в отдельных молекулах белка и в будущем могут использоваться для детектирования таких молекул без необходимости прикрепления к белкам специальных меток.
В живых организмах белки могут участвовать в механизмах проводимости электрического тока и в непроводящем состоянии, участвуя в метаболических процессах. Например, некоторые бактерии используют для этого гемсодержащие белки.
Александр Дубов
Обычно рентгеноструктурный анализ требует сотен тысяч атомов
Химики из США, Китая и Франции использовали синхротронное излучение для характеризации отдельных ионов железа и тербия в составе комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученые смогли детектировать электронные переходы этих атомов только тогда, когда тонкий металлический детектор располагался точно над атомами металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature. Синхротронное излучение позволяет проводить рентгеноструктурные исследования на очень небольших образцах вещества, содержащих около 104 атомов. Но если для регистрации фотоэлектронов использовать очень тонкий металлический детектор, разрешение можно повысить еще сильнее — до всего нескольких десятков атомов в образце. Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов. Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора. В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа. Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами. Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет. Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). А прочитать подробнее про историю рентгеноструктурного анализа можно в нашем материале «Деплатформинг структур».