Fot. Zaprojektowana przez zespół cząsteczka, w której po raz pierwszy zaobserwowano przeniesienie elektronów dalekiego zasięgu (zielona linia) poprzez wiązania wodorowe (czerwone, przerywane linie). Nie zachodzi tu znane już wcześniej tzw. przeskakiwanie (hopping). Źródło: R. Orłowski et al., "PNAS" 2021.

Aby istniało życie, konieczne są procesy przekazywania energii i elektronów w ramach cząsteczek chemicznych i pomiędzy nimi. Podczas przeniesienia elektronów, a więc cząstek niosących ujemny ładunek elektryczny, przeskakują one z jednego miejsca w cząsteczce chemicznej w inne. Przeniesienie elektronów to choćby podstawa fotosyntezy, w której foton (cząstka światła) wzbudza cząsteczkę chlorofilu i wybija z niej elektron, który ucieka wtedy w inne miejsce. Zgromadzona w tym procesie energia w finale napędza pracę komórki. Proces przeniesienia elektronu jest też niezbędny do reperacji uszkodzonego DNA czy do pracy niektórych enzymów. Ma też jednak znaczenie w inżynierii, choćby w budowie ogniw fotowoltaicznych i technologiach fotonicznych.

Chemicy od dawna wiedzieli, że elektron może przeskakiwać na niewielkie odległości. Były też już jednak znane procesy przeskakiwania elektronów na większą odległość (to tzw. przeniesienie elektronów dalekiego zasięgu – ang. long-range electron transfer). Dotąd obserwowano tylko takie sytuacje, w których elektron skakał na sporą odległość, ale pod warunkiem, że miał na swojej drodze "schodki" – miejsca w cząsteczce, po których mógł po drodze kolejno przeskakiwać, aby w rezultacie przebyć dłuższą trasę. Teraz zespół naukowców pod kierunkiem prof. Daniela Gryko z Instytutu Chemii Organicznej PAN pokazał nowy sposób takiego przenoszenia elektronów poprzez tunelowanie (ang. tunneling) – tzn. bez tradycyjnych "schodków". – W naszych badaniach po raz pierwszy udało się udowodnić, że proces przeniesienia elektronów może zachodzić pomiędzy przeciwległymi i położonymi daleko od siebie fragmentami, pod warunkiem, że w cząsteczce istnieje sieć wewnętrznych wiązań wodorowych – streszcza w rozmowie z PAP prof. Daniel Gryko, kierownik zespołu, którego badania ukazały się w prestiżowym czasopiśmie "PNAS". W badaniach brali udział badacze z IChO PAN: Rafał Orłowski (pierwszy autor pracy), prof. Agnieszka Szumna i dr Olga Staszewska-Krajewska, ale również badacze z Kalifornii (zespoły kierowane przez prof. Harrego Gray'a oraz przez prof. Valentine Vulleva) . 

Pokazanie tego procesu było bardzo trudne – naukowcy musieli zaprojektować i wytworzyć cząsteczkę, w której dojdzie do takiego przeniesienia elektronów. Badania zajęły im trzy lata, ale trud ten się opłacił. W cząsteczce tej elektron przenosił się z jednego końca cząsteczki na drugi, chociaż byłoby to niemożliwe gdyby kształt cząsteczki był liniowy. Kluczowe jest to, że cząsteczka zaprojektowana przez naukowców nie była liniowa, ale raczej zawinięta w kształt skorpiona. Molekuła ta, składająca się z kilku aminokwasów, posiada w swojej budowie część bogatą w elektrony (donor), oraz ubogą w elektrony (akceptor). Elektrony z jednego końca cząsteczki miały więc "ochotę" dostać się na drugi jej koniec, ale podróż ładunku wzdłuż całej cząsteczki nie była możliwa. Jedyne, co się mogło tam zadziać, to skok elektronu z "głowy" skorpiona na jego "ogon". Badacze pokazali, że jest to możliwe, dzięki temu, że podczas skoku elektron mógł skorzystać z obecności wewnątrzcząsteczkowych wiązań wodorowych, które się znalazły na jego trasie, a więc sił, które spinały "ogon" i "głowę" skorpiona. Nowatorskim pomysłem było takie dobranie donora i akceptora, aby tworzyły wiązania wodorowe.

– Spodziewamy się, że inne zespoły wykorzystają ten model i naszą wiedzę, by zaprojektować swoje cząsteczki do innych celów – nie tylko chodzi o biologię molekularną, ale i o chemię materiałową – mówi prof. Gryko. Ma nadzieję, że nowa wiedza o przenoszeniu elektronów w cząsteczkach pomoże nie tylko lepiej zrozumieć działanie białek, ale również pomoże w opracowaniu nowych rozwiązań szczególnie powiązanych z ogniwami słonecznymi. – W naszych badaniach pokazujemy, że krótkie peptydy, zawierające zaledwie cztery reszty aminokwasowe, zapewniają sieć wiązań wodorowych, która może pośredniczyć w przenoszeniu elektronów z niezwykle wysoką wydajnością. Praca ta nie tylko zmienia spojrzenie na projektowanie cząsteczek, w których zachodzi przeniesienie elektronu, ale także sugeruje motywy strukturalne pośredniczące w transmisji elektronów w białkach – podsumowuje prof. Gryko.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala