Mikrobielle Biofilme als lebende Fotoleiter durch ultraschnellen Elektronentransfer in Cytochrom-OmcS-Nanodrähten

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 5150 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Der lichtinduzierte mikrobielle Elektronentransfer bietet aufgrund diversifizierter Stoffwechselwege das Potenzial für eine effiziente Produktion von Mehrwertchemikalien, Biokraftstoffen und biologisch abbaubaren Materialien. Allerdings fehlen den meisten Mikroben photoaktive Proteine ​​und sie benötigen synthetische Photosensibilisatoren, die unter Photokorrosion, Photoabbau, Zytotoxizität und der Bildung photoangeregter Radikale leiden, die für Zellen schädlich sind, wodurch die katalytische Leistung stark eingeschränkt wird. Daher besteht ein dringender Bedarf an biokompatiblen photoleitfähigen Materialien für eine effiziente elektronische Schnittstelle zwischen Mikroben und Elektroden. Hier zeigen wir, dass lebende Biofilme von Geobacter Sulfurreducens Nanodrähte aus Cytochrom OmcS als intrinsische Fotoleiter verwenden. Photoleitende Rasterkraftmikroskopie zeigt einen bis zu 100-fachen Anstieg des Photostroms in gereinigten einzelnen Nanodrähten. Photoströme reagieren schnell (<100 ms) auf die Anregung und bleiben stundenlang reversibel bestehen. Femtosekunden-Transientenabsorptionsspektroskopie und Quantendynamiksimulationen zeigen einen ultraschnellen (~200 fs) Elektronentransfer zwischen Nanodraht-Hämen bei Photoanregung, was die Ladungsträgerdichte und -mobilität erhöht. Unsere Arbeit enthüllt eine neue Klasse natürlicher Fotoleiter für die Ganzzellkatalyse.

Seit über zwei Jahrzehnten werden lebende Zellen mit Quantenpunkten und Nanostrukturen zur Fluoreszenzmarkierung und Arzneimittelabgabe ausgestattet1. Aufgrund der mangelnden Biokompatibilität und der hohen Zytotoxizität von Fremdmaterialien wie Photosensibilisatoren im Inneren der Zelle wurden lichtabsorbierende Nanostrukturen jedoch nicht verwendet, um katalytische Reaktionen innerhalb von Zellen voranzutreiben, was häufig die betriebliche Effizienz einschränkt1. Darüber hinaus verursachen inhärente Defekte synthetischer Photosensibilisatoren mehrere Probleme wie Photokorrosion, Photoabbau und die Erzeugung photoangeregter Radikale, was zu geringer Stabilität, Nichtreproduzierbarkeit und mangelnder Nachhaltigkeit von Biohybridmaterialien führt2.

Einige Bakterien produzieren lichtabsorbierende Zentren, leiden jedoch unter einer geringen Elektronenübertragungseffizienz und mangelnder Haltbarkeit1. Natürliche Elektronentransferproteine ​​wie Azurine, Myoglobin und C-Typ-Cytochrome zeigen keine Photoleitfähigkeit3,4 aufgrund der Pikosekunden-Trägerlebensdauer des Häm-Eisens, die typischerweise jegliche Ladungstrennung hemmt5. Die kovalente Verknüpfung künstlicher Photosensibilisatoren mit diesen Proteinen führt zu einer niedrigen Elektronentransferrate auf der Zeitskala von 10 ns oder weniger, was ihre Anwendungen stark einschränkt6. Darüber hinaus ist es aufgrund des schnellen Abbaus durch reaktive Sauerstoffspezies, die bei diesen Prozessen entstehen, nicht möglich, längere Lebensdauern angeregter Zustände zu nutzen, beispielsweise die Elektroneninjektion aus den Triplettzuständen. Daher besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung neuartiger Biomaterialien, die einen ultraschnellen Primärelektronentransfer ermöglichen, um eine effiziente Ladungstrennung zu erreichen, gefolgt von einem sequentiellen Sekundärelektronentransfer für eine langlebige Ladungstrennung und Ladungsakkumulation6.

Um die Verwendung technischer lebender Materialien als lebende Fotoleiter zu bewerten, haben wir uns für den elektroaktiven Bodenorganismus Geobacter Sulfurreducens entschieden, da er die Fähigkeit entwickelt hat, aus dem Stoffwechsel stammende Elektronen in einem Prozess, der als extrazellulärer Elektronentransfer bezeichnet wird, an extrazelluläre Akzeptoren wie Metalloxide und Elektroden zu exportieren (EET)7,8. Bakterien stellen über mikrometerlange, polymerisierte Cytochrom-Nanodrähte, OmcS genannt, direkten elektrischen Kontakt zu Elektronenakzeptoren her, wodurch diffusive Redoxmediatoren überflüssig werden7,8 (Abb. 1b). Häme im OmcS-Nanodraht bilden ein paralleles, gleitend gestapeltes Paar, wobei jedes Paar senkrecht (T-gestapelt) zum nächsten Paar steht und eine kontinuierliche Kette über die gesamte Mikrometerlänge des Nanodrahts bildet7 (Abb. 1d). Der Mindestabstand von Kante zu Kante beträgt 3,4–4,1 Å zwischen den parallel gestapelten Hämpaaren und 5,4–6,1 Å zwischen den T-gestapelten Paaren.

ein Messschema. Biofilme werden auf transparenten Fluor-dotierten Zinnoxid-Elektroden (FTO) gezüchtet. b Transmissionselektronenmikroskopie von CL-1-Zellen, die OmcS-Nanodrähte produzieren. Maßstabsbalken, 200 nm. c AFM-Höhenbild eines einzelnen OmcS-Nanodrahts auf Glimmer (links) und entsprechendes Höhenprofil (rechts) mit der roten Linie. Maßstabsbalken 50 nm. d Häme in OmcS stapeln sich nahtlos über die gesamte Mikrometerlänge von Nanodrähten. Die Abstände zwischen den Kanten werden in Å angegeben. e UV-Vis-Spektroskopie des Biofilms auf der FTO-Elektrode mit der Anregungswellenlänge von 408 nm, markiert als violettes Dreieck. f Aktuelle Spannungsreaktion des Biofilms bei ein- und ausgeschaltetem Laser. Der prozentuale Anstieg des Leitwerts stellt den Mittelwert ± Standardabweichung (SD) dar. von zwei biologischen Replikaten. Quelldaten werden als Quelldatendatei bereitgestellt.

Dank dieser evolutionär optimierten OmcS-Nanodrahtstruktur mit nahtloser Hämstapelung kann G. Sulfurreducens Elektronen über Distanzen übertragen, die das Hundertfache ihrer Größe betragen, indem es mehr als 100 µm dicke, hochleitfähige Nanodrahtnetzwerke in Biofilmen bildet9,10, was G. Schwefelreduzierende Zellen erzeugen die höchste Stromdichte in bioelektrochemischen Systemen11. Aufgrund der großen Elektronenspeicherkapazität verleihen Cytochrome Biofilmen auch eine hohe Superkapazität mit geringer Selbstentladung und reversibler Ladung/Entladung12. Darüber hinaus kann ein Netzwerk aus gereinigten Nanodrähten Elektronen über Entfernungen von der 10.000-fachen Größe einer Zelle9 übertragen. Daher dient G. Sulfurreducens als ideales Modellsystem für Elektrokatalyse, Metallkorrosion und die Herstellung von Kraftstoffen13,14. Bisher wurde angenommen, dass es sich bei den leitfähigen Filamenten auf der Oberfläche von G. Sulfurreducens um Pili handelt15 und ein Netzwerk aus Pili verleiht den Biofilmen von G. Sulfurreducens Leitfähigkeit10,13,16. Strukturelle, funktionelle und subzelluläre Lokalisierungsstudien ergaben jedoch, dass Nanodrähte auf der Bakterienoberfläche aus Cytochromen bestehen7,8, wohingegen Pili während der EET in der Zelle verbleiben und für die Sekretion von Cytochrom-Nanodrähten an die Bakterienoberfläche erforderlich sind17,18.

Nanodrähte könnten weit verbreitet sein und ihre photophysikalischen Eigenschaften könnten physiologisch wichtig sein, da viele Geobacter-ähnliche metallreduzierende Bakterien hochleitfähige Biofilme bilden19,20 und weit auf der Erdoberfläche in flachen Sedimenten verteilt sind, die reichlich Sonnenlicht und Metalloxide enthalten21,22,23 . Die Sedimente sind in der Lage, Elektronen über Zentimeter zu transportieren24 und einfallendes Licht in Elektrizität umzuwandeln25. Es hat sich gezeigt, dass die Bestrahlung von G.-sulfurreducens-Zellen mit sichtbarem Licht deren katalytische Leistung verbessert, wie z. B. eine Steigerung des metabolischen Elektronentransfers zu Metalloxiden26 oder anderen halbleitenden Materialien um mehr als das Achtfache im Vergleich zu der unter dunklen Bedingungen beobachteten Leistung21. Darüber hinaus korrelierte der lichtinduzierte bakterielle Elektronentransfer gut mit der Geschwindigkeit der mikrobiellen Atmung und dem Substratverbrauch26. Der zugrunde liegende molekulare und physikalische Mechanismus für diese erhöhte photokatalytische Leistung ist jedoch weiterhin unklar.

Zusätzlich zur lichtinduzierten Ganzzellkatalyse21,26 führte die künstliche Expression von Cytochrom OmcS in photosynthetischen Cyanobakterien zu einer erhöhten katalytischen Leistung in verschiedenen Prozessen, wie z. B. einer Erhöhung des Photostroms um das 9-fache27, einer Erhöhung der Stickstofffixierung um das 13-fache28 und einer verbesserten Photosynthese aufgrund einer 60-prozentigen Zunahme der Biomasse29 im Vergleich zu den Wildtyp-Cyanobakterien. Diese Studien unterstreichen die entscheidende Rolle von OmcS in der lichtgetriebenen Biokatalyse. Die intrinsischen photophysikalischen Eigenschaften von OmcS, die für diese katalytischen Verbesserungen verantwortlich sein könnten, wurden jedoch nicht untersucht.

Von den 111 Cytochromen in G. Sulfurreducens ist OmcS das einzige nanodrahtbildende Cytochrom, das für die EET zu Fe(III)-Oxiden, die im Untergrund reichlich vorhanden sind, essentiell ist14. Tatsächlich funktionieren Cytochrome, die während der Uran-Bioremediation im Untergrund reichlich vorhanden sind, ähnlich wie OmcS30. OmcS ist auch wichtig für die EET zu Elektroden in den Anfangsstadien des Biofilmwachstums14. OmcS ist auch für den Elektronentransfer zwischen den Spezies in Geobacter-Kokulturen erforderlich, um eine „elektrische Syntrophie“ durchzuführen13,31,32. Dieser Elektronentransfer zwischen den Spezies über natürlich leitfähige mikrobielle Konsortien ist in verschiedenen methanogenen und methanverbrauchenden Umgebungen wichtig, die das globale Klima beeinflussen33,34,35. Es wurde auch gezeigt, dass photosynthetische Bakterienarten eine elektrische Syntrophie mit lichtgesteuerter Umwandlung von CO2 in hochwertige chemische Rohstoffe durchführen2. Die Komponenten und Wege, die für eine solche lichtgesteuerte Biokatalyse verantwortlich sind, wurden jedoch nicht identifiziert und das Potenzial für Photoaktivität über photosynthetische Mikroorganismen hinaus bleibt weitgehend unbekannt.

Wir stellten die Hypothese auf, dass Cytochrom-Nanodrähte in den Biofilmen photoaktiv sein könnten und eine effiziente elektronische Schnittstelle zwischen Mikroben und Elektroden ermöglichen könnten. Hier zeigen wir, dass lebende Biofilme von Geobacter Sulfurreducens Nanodrähte aus Cytochrom OmcS als intrinsische Fotoleiter verwenden. Überraschenderweise zeigen Nanodrähte Photoleitfähigkeit mit ultraschnellem Häm-zu-Häm-Elektronentransfer im Subpikosekundenbereich, was ihren oben erwähnten Einfluss auf die photokatalytische Leistung erklären könnte. Diese Raten gehören zu den höchsten für den Elektronentransfer im angeregten Zustand in der Biologie36.

Um die Rolle von OmcS-Nanodrähten beim lichtinduzierten Elektronentransfer zu bestimmen, verwendeten wir den gentechnisch veränderten G. Sulfurreducens-Stamm CL-1, da er OmcS-Nanodrähte überexprimiert (Abb. 1b – d) und hochleitfähige und kohäsive Biofilme bildet, die leicht übertragen werden können auf mehrere Oberflächen37 (Abb. 1a). Bei Laserphotoanregung (λ = 408 nm), die spezifisch für das Soret-Band von c-Typ-Hämen ist, blieb die Leitfähigkeit des Biofilms ohmsch und stieg um 72 ± 21 % (Abb. 1e, f). Diese Studien zeigen, dass lebende G. Sulfurreducens-Biofilme als intrinsische Fotoleiter dienen können. Da die Leitfähigkeit des Biofilms die Bakterienrate von EET11 bestimmt, könnten unsere Ergebnisse die erhöhte photokatalytische Leistung von G. Sulfurreducens21,26 erklären.

Um den Ursprung der Photoleitfähigkeit in Biofilmen zu bestimmen, haben wir Nanodrähte aus dem CL-1-Stamm gereinigt (Abb. 2a). Das ultraviolett-sichtbare (UV-Vis) Absorptionsspektrum von Nanodrähten zeigte eine starke Soret-Bande bei 410 nm für luftoxidierte Nanodrähte (Abb. 2b). Nanodrähte wurden unter diesen Bedingungen vollständig oxidiert, da die Zugabe von Oxidationsmittel (Ferricyanid) das Spektrum nicht veränderte (ergänzende Abbildung 1a). Wir platzierten die Nanodrähte auf ineinandergreifenden Goldelektroden und beleuchteten sie von oben (Laserleistung = 100 mW/cm2). Die Photoleitfähigkeit des Nanodrahtnetzwerks stieg zunächst um mehr als das Sechsfache (Abb. 2c), aber das Ausmaß der Leitfähigkeitsanstiege nahm mit der Zeit ab, wahrscheinlich aufgrund von Laserschäden. Nanodrähte reagierten schneller als 100 ms (Abb. 2c Einschub). Die Photoreaktion hielt stundenlang an, nahm jedoch mit der Zeit ab (Abb. 2c). Sowohl der Dunkelstrom als auch der Photostrom waren proportional zu einer angelegten Spannung im Bereich von –0,2 bis +0,2 V (Abb. 2d), was auf ein ohmsches Leitungsverhalten von Nanodrähten ähnlich zu Biofilmen hinweist. Bemerkenswerterweise zeigten Nanodrahtnetzwerke mit und ohne Laseranregung eine lineare Strom-Spannungs-Reaktion mit einem durchschnittlichen Leitfähigkeitsanstieg von 230 ± 28 % (n = 7), was höher ist als bei herkömmlichen Perowskiten38,39 und Porphyrin-Nanodrähten40 (Abb. 2d, e).

Ein Häm-Färbegel aus Nanodrähten, das eine einzelne OmcS-Bande zeigt. b UV-Vis-Spektrum von oxidierten (grün) und reduzierten (rot) Nanodrähten. c Photostromreaktion des Nanodrahtnetzwerks bei 200 mV unter Abzug des Stromabfalls im Aus-Zustand. Einschub: Schnelle (<100 ms) Photoreaktion von Nanodrähten. Die Achsen sind die gleichen wie in Abb. 2c. d Strom-Spannungs-Antwort des Nanodrahtnetzwerks und des Cytochroms c zum Vergleich e Vergleich der Leitfähigkeit des Nanodrahtnetzwerks bei ein- oder ausgeschaltetem Laser. Die Werte stellen den Mittelwert ± Standardfehler des Mittelwerts (SEM) dar, wobei einzelne Datenpunkte als graue Punkte angezeigt werden (n = 7 unabhängige Experimente). ** gibt einen p-Wert = 0,003 unter Verwendung eines gepaarten Two-Tail-T-Tests an. f Schematische Darstellung der PC-AFM einzelner Nanodrähte. g Strom-Spannungs-Antwort eines einzelnen Nanodrahts mit linearer Anpassung, dargestellt durch eine violette gestrichelte Linie. h Vergleich des Leitfähigkeitsanstiegs bei Photoanregung in einzelnen Nanodrähten. Die Werte stellen den Mittelwert aller an einzelnen Nanodrähten gemessenen Strom-Spannungs-Kurven dar (die Anzahl der Kurven liegt zwischen 10 und 120, Ergänzungstabelle 2). i Vergleich der durchschnittlichen Leitfähigkeit einzelner Nanodrähte bei ein- oder ausgeschaltetem Laser. Die Werte stellen den Mittelwert ± SEM dar, wobei einzelne Datenpunkte als graue Punkte angezeigt werden (n = 15 unabhängige Experimente). ** gibt einen p-Wert = 0,007 unter Verwendung eines gepaarten zweiseitigen T-Tests an. Quelldaten werden als Quelldatendatei bereitgestellt.

Mehrere Kontrollexperimente bestätigten, dass die beobachtete Photoleitfähigkeit aufgrund ihrer polymerisierten Cytochrom-Architektur eine intrinsische Eigenschaft von Nanodrähten ist. Beispielsweise zeigte das monomere Pferdeherz-Cytochrom-c erwartungsgemäß einen sehr niedrigen Dunkelstrom und Photostrom3,4, wenn es unter identischen Bedingungen gemessen wurde (Abb. 2d). Bei Zugabe eines chemischen Reduktionsmittels Natriumdithionit verschob sich die Soret-Bande für reduzierte Nanodrähte erwartungsgemäß auf 420 nm4 (Abb. 2b). Diese chemisch reduzierten Nanodrähte (λSoret = 420 nm) zeigten bei Anregung bei λ = 405 nm keine signifikante Photoleitfähigkeit, was bestätigt, dass bei dieser Anregung eine Photoreduktion oxidierter Häme für die Photoleitfähigkeit in Nanodrähten erforderlich ist (ergänzende Abbildung 1b). Durch den Wechsel des Elektrodenmaterials von Gold zu Wolfram blieb auch die Photoleitfähigkeit erhalten, was bestätigt, dass die gemessene Reaktion kein Artefakt des Elektrodenmaterials ist (ergänzende Abbildung 2). Das Verhältnis von Laser-Ein-/Laser-Aus-Strom (Ein/Aus) von Nanodrähten nahm mit zunehmender Laserleistung zu, was weiter zeigt, dass die gemessene Photoleitfähigkeit ausschließlich auf Laseranregung zurückzuführen ist (ergänzende Abbildung 3). Alle diese Experimente zusammen bestätigen, dass die Nanodrähte eine intrinsische Photoleitfähigkeit aufweisen, die für die beobachtete Photoleitfähigkeit in lebenden Biofilmen verantwortlich sein kann. Der Unterschied in der Photoleitfähigkeit zwischen Biofilmen und gereinigten Nanodrähten ist wahrscheinlich auf nicht leitende Materialien wie Zellen und Polysaccharide zurückzuführen, die in den Biofilmen vorhanden sind.

Um die Photoreaktion einzelner Nanodrähte zu quantifizieren, verwendeten wir photoleitende Rasterkraftmikroskopie (pc-AFM)41 (λ = 405 nm, anfängliche Laserleistung = 3,20 kW/cm2, Abb. 2f). Einzelne Nanodrähte zeigten bei Photoanregung einen bis zu 100-fachen Anstieg der Leitfähigkeit (Abb. 2h – i, Ergänzungstabelle 2). Die Unterschiede in der Photoleitfähigkeit sind wahrscheinlich auf Schwankungen der Laserleistung zurückzuführen, die durch den Versuchsaufbau verursacht werden (Einzelheiten siehe Methoden und ergänzende Abbildung 11). Der Unterschied in der Photoleitfähigkeit zwischen einzelnen Nanodrähten und dem Nanodrahtnetzwerk ist wahrscheinlich auf den Kontaktwiderstand zwischen den Nanodrähten und zwischen den Nanodrähten und den Elektroden zurückzuführen. Bemerkenswert ist, dass der beobachtete 10- bis 100-fache Anstieg der Leitfähigkeit für Protein-Nanodrähte bei relativ niedriger Vorspannung (< 0,5 V) wesentlich größer ist als der von synthetischen Porphyrinen42, die bei sehr hoher Vorspannung von 12 V nur einen bis zu 5-fachen Anstieg zeigen.

Diese Experimente an einzelnen Nanodrähten bestätigen, dass die beobachtete Photoleitfähigkeitsreaktion in Netzwerken von Nanodrähten allein auf Nanodrähte zurückzuführen ist und nicht auf ein Artefakt des Messaufbaus. Darüber hinaus ist die beobachtete Photoleitfähigkeit nicht auf Erwärmungseffekte zurückzuführen, da alle pc-AFM-Experimente in einer temperaturkontrollierten Umgebung durchgeführt wurden und somit ein wesentlicher Temperaturanstieg verhindert wurde. Darüber hinaus deuten die Linearität und Stabilität unserer IV-Kurven darauf hin, dass der gemessene Leitfähigkeitsanstieg nicht auf Erwärmung zurückzuführen ist (Abb. 2g). Darüber hinaus nimmt die Leitfähigkeit von OmcS-Nanodrähten beim Erhitzen ab, während wir bei Photoanregung einen bis zu 100-fachen Anstieg der Leitfähigkeit beobachteten.

Um den Mechanismus der Photoleitfähigkeit in Protein-Nanodrähten zu verstehen, führten wir eine Femtosekunden-Transientenabsorptionsspektroskopie (fs-TA) durch, indem wir die Elektronendynamik bei Photoanregung auf einer ultraschnellen Zeitskala (~ 100 fs) bestimmten (Abb. 3a). Der fs-TA verfolgt die UV-Vis-Spektraländerungen, indem er die Zeitverzögerung Δτ zwischen der Femtosekunden-Laserpumpe und den Sondenimpulsen ändert und bei jeder Zeitverzögerung ein Differenzabsorptionsspektrum (ΔA) aufzeichnet (Abb. 3a). Dieses Differenzspektrum enthält Informationen über die im System ablaufenden dynamischen Prozesse wie Energiewanderung angeregter Zustände, Elektronen- oder Protonentransferprozesse und Isomerisierung44. Im Gegensatz zu den obigen Studien zur Photoanregung im Soret-Band (Abb. 1, 2) führten wir eine fs-TA mit Anregung im Q-Band (λ = 545 nm) durch, um thermische Schäden zu vermeiden und Veränderungen in der Region zu überwachen der stärksten Absorptionsbanden44. Es ist wichtig zu beachten, dass Soret- und Q-Band-Übergänge aus demselben Grundzustand entstehen, was die Q-Band-Anregung zu einem geeigneten Ersatz für die Überwachung dieser Prozesse macht44. Die Photoanregung mit λ = 530, 545 und 400 nm ergab eine ähnliche Dynamik und zeigte einen breiten Spektralbereich für die Photoleitfähigkeit (Ergänzende Abbildungen 4, 5). Weder der Puffer allein noch das leere Substrat zeigten eine Reaktion, die Messungen im festen und flüssigen Zustand sind ähnlich und die ET-Dynamik war unabhängig von der Laserintensität und -leistung (ergänzende Abbildungen 6, 7, 8), was darauf hinweist, dass die beobachtete Dynamik auf Nanodrähte zurückzuführen ist und kein Artefakt der Umgebung oder des Substrats.

ein Schema von fs-TA. Ein Pumpstrahl (λ = 545 nm) regt eine Nanodrahtprobe an, worauf nach einer Zeitverzögerung ein Sondenstrahl folgt. Die unterschiedliche Absorption zwischen dem anfänglichen und dem zeitverzögerten Spektrum wird erfasst und als optische Dichte angegeben. b Gemittelte transiente Absorptionsdaten von Nanodrähten (n = 6 unabhängige Experimente), wobei die Farben die optische Millidichte (mOD) darstellen. c Normalisierte Änderung der differentiellen Absorption mit der Wellenlänge bei unterschiedlichen Verzögerungszeiten. Die wichtigsten Wellenlängen sind mit λ = 410 nm (grün), λ = 424 nm (rot) und λ = 367 nm (blau) gekennzeichnet. d Die experimentellen (durchgezogenen) und simulierten (gestrichelten) Spektren von oxidierten, reduzierten und doppelt oxidierten Singulett-Nanodrähten. Die Wellenlängenmarkierungen sind dieselben wie in Abb. 3c. e Normalisierte Änderung der differentiellen Absorption über die Verzögerungszeit bei Schlüsselwellenlängen. Zeitmarkierungen werden in der gleichen Farbe wie Zeitspuren in Abb. 3c dargestellt. Die Spuren in c und e repräsentieren den Mittelwert von n = 6 unabhängigen Experimenten. Quelldaten werden als Quelldatendatei bereitgestellt.

Bei der Photoanregung von Protein-Nanodrähten werden Elektronen vom Grundzustand in den angeregten Zustand befördert, wodurch die Grundzustandspopulation verringert wird. Diese Abnahme verursachte ein negatives Signal in ΔA bei 410 nm, das als Grundzustandsbleiche bekannt ist (Abb. 3b, c). Darüber hinaus beobachteten wir ein positives ΔA, das auf eine Absorption im angeregten Zustand bei λ = 367 nm und λ = 424 nm nach Δτ = 0,1 ps bzw. 2 ps hinweist (Abb. 3c, d). Diese Absorptionen fehlen in den nativen, luftoxidierten, nicht angeregten Nanodrähten (Abb. 3d), was darauf hindeutet, dass die Photoanregung diese Absorptionen verursacht. Insbesondere stimmt die Absorption bei λ = 424 nm gut mit der Absorption chemisch reduzierter Nanodrähte überein (Abb. 3d), was darauf hindeutet, dass bei Photoanregung der Elektronentransfer im angeregten Zustand die Häme in den Nanodrähten reduziert und somit Photoreduktion zur Photoleitfähigkeit von Nanodrähten beiträgt.

Um den Ursprung verschiedener transienter Oxidationsstufen zu verstehen, haben wir die Kinetik bei den oben genannten Schlüsselwellenlängen mithilfe eines sequentiellen Modells44 bestimmt, das die erste Anregungszeitskala von 19 ± 23 fs ergab (siehe Methoden). Diese Zeitskala ist schneller als die Antwortfunktion des Instruments (100 ± 50 fs) und kann daher als sofortige Anregung auf der Zeitskala der Messung behandelt werden (Abb. 4a). Nach dieser Anregung wurden die Ladungen zwischen Hämen mit einer Abklingzeit von 212 ± 27 fs übertragen. Die entsprechenden Spektren sind eine Überlagerung eines Bleichens im Grundzustand und des Auftretens eines neuen Merkmals um 367 nm, das gemäß den Spektralsimulationen den doppelt oxidierten Hämen zugeschrieben werden kann (Abb. 3d). Basierend auf Simulationen (siehe unten, Abb. 4d) kommen wir zu dem Schluss, dass der ultraschnelle Ladungstransfer auch zur Bildung eines reduzierten Häms in seinem angeregten Zustand führt, der spektroskopisch dunkel ist. Wir fanden auch einen zweiten Zerfall mit einer Zeitkonstante von 1,0 ± 0,1 ps, der auf die Relaxation des angeregten reduzierten Häms zurückzuführen ist, dessen Absorption am reduzierten Soret bei λ = 424 nm zunimmt. Darüber hinaus fanden wir eine dritte Abklingzeit von 7,9 ± 0,3 ps, die auf die Rekombination in ihren Ausgangszustand einschließlich Ladungstransfers zurück in die einfach oxidierten Häm-Grundzustände zurückzuführen ist.

ein vereinfachtes Energieniveaudiagramm für Häme, das die Änderungen zeigt, die bei Photoanregung in der transienten Absorption auftreten, und ihre jeweiligen Abklingzeiten. b Der Dunkelstrom im Grundzustand entsteht durch die Ausbreitung eines reduzierten Zustands, der durch Elektroneninjektion von der Elektrode erzeugt wird. c Der Photostrom entsteht durch die Laseranregung, die einen ultraschnellen Ladungstransfer zwischen Hämen auslöst, wodurch neu reduzierte (rot) und doppelt oxidierte Häme (blau) entstehen. Die Photoreduktion stellt zusätzliche Ladungsträger und eine größere Antriebskraft für die Ladungsübertragung bereit, wodurch sich der Strom unter Vorspannung erhöht. d Quantendynamiksimulationen des ultraschnellen Ladungstransfers zwischen Hämen in Protein-Nanodrähten, wodurch ein doppelt oxidiertes Häm und ein angeregter Zustand eines reduzierten Häms entstehen.

Wir verglichen unsere experimentellen UV-Vis-Spektren von Nanodrähten außerdem mit zeitabhängigen Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie von Hämen im Nanodraht (Abb. 3d). Das Maximum der berechneten Soret-Bande im reduzierten Häm (λ = 420 nm) ist um 9,5 nm zum Rot des Bandenmaximums für das oxidierte Häm verschoben, was gut mit der experimentell beobachteten Verschiebung um 10,5 nm übereinstimmt (Abb. 3d). Diese rechnerischen Analysen legen außerdem nahe, dass die Photoanregung zu einer Reduzierung der Hämmoleküle in den Nanodrähten führt. Unser Befund steht im Einklang mit früheren Studien zur Photoreduktion von monomeren Cytochromen, die durch den lichtinduzierten angeregten Zustand von Hämen vermittelt wird, selbst in Abwesenheit externer Elektronendonoren .

Um die transienten Kinetikdaten auszuwerten, die mithilfe des an experimentelle Daten angepassten sequentiellen Modells erhalten wurden, führten wir Quantendynamiksimulationen auf der erweiterten Hückel-Theorieebene durch47,48. Wir haben die Ausbreitung eines Elektronenwellenpakets im angeregten Zustand von Hämen in den Nanodrähten simuliert, sowohl in Slip-Stacked- als auch in T-Stacked-Orientierung7. Unsere Simulationen legen eine Zeitskala von ~100 fs für den fotoinduzierten Ladungstransfer zwischen dem gleitend gestapelten Hämpaar nahe (Abb. 4d). Diese Zeitskala stimmt mit der experimentell bestimmten Zeitskala für den Ladungstransfer im angeregten Zustand (212 ± 27 fs) überein. Die Überlebenswahrscheinlichkeit für den Elektronentransfer in einem Slipped-Stack-Hämpaar bleibt für die meisten Energieniveaus niedrig (<60%), was auf eine hohe Wahrscheinlichkeit für den Elektronentransfer zu einem nahegelegenen Häm innerhalb von 100 fs hinweist (ergänzende Abbildung 9). Somit bleibt die Zeitskala für den Elektronentransfer zwischen Slipped-Stack-Hämpaaren für die meisten Energieniveaus ähnlich.

Da kein externer Elektronendonator hinzugefügt wurde, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die zusätzlichen Elektronen, die das Häm reduzieren, dem Nanodraht selbst innewohnen. Wir haben weiter die Möglichkeit analysiert, dass umgebendes Protein die beobachtete Photoreduktion von OmcS-Hämen verursacht. Mehrere aromatische Aminosäuren, darunter Tryptophan und Tyrosin, liegen innerhalb von 5 Å von den Hämen im OmcS. Obwohl die Anregung von Tryptophan oder Tyrosin bei den in dieser Studie verwendeten Wellenlängen nicht möglich ist45,46, haben wir die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass der Elektronentransfer ein photoangeregtes Häm auf ähnliche Weise wie Flavine in einem Cryptochrom löschen kann49. Dieses Löschen würde ein Häm reduzieren und ein Aminosäureradikal zurücklassen. Der wahrscheinlichste Aminosäurekandidat für die Radikalbildung ist Tryptophan, da seine Radikale eine Absorption aufweisen, die die 367-nm-Spezies erklären würde50. Während die Bildung solcher Radikale möglich ist, wird die Signalstärke bei fs-TA-Messungen durch die molaren Extinktionskoeffizienten (ε) der (transienten) Spezies bestimmt. Der molare Extinktionskoeffizient der Soret-Bande für OmcS ist etwa 100-mal größer als der von Tryptophan-Radikalen50,51. Das Bleichmittel im Grundzustand stellt alle photoangeregten Häme in den OmcS-Nanodrähten dar, und die Spezies, die λ = 367 nm und 424 nm entsprechen, weisen unterschiedliche Absorptionen von ~ 20 bzw. 10 % der Gesamtgröße auf (Abb. 3e). Daher muss die Anzahl der durch Elektronentransfer erzeugten Tryptophan-Radikale größer sein als die Anzahl der angeregten Häme in OmcS, wenn die Radikalspezies bei λ = 367 nm aus Tryptophan entsteht. Eine solche Möglichkeit erscheint unwahrscheinlich, da für jedes gelöschte angeregte Häm nur ein Radikal erzeugt werden kann. Daher können die beobachteten Spektren nicht durch Aminosäureradikale erklärt werden.

Wir haben auch die Möglichkeiten anderer Elektronenquellen untersucht, die eine Photoreduktion bewirken. Wir fanden heraus, dass in unseren Experimenten keine Multiphotonenprozesse auftreten, da die ET-Dynamik unabhängig von der Laserintensität und -leistung war (ergänzende Abbildung 8). Die Größe des Photostroms ist ebenfalls linear mit zunehmender Leistung (ergänzende Abbildung 3).

Redoxverunreinigungen trugen aufgrund der identischen Dynamik in Lösung und im Festkörper ebenfalls nicht zu den gemessenen Spektren bei (ergänzende Abbildung 7). Der Photoabbau veränderte auch nicht die Dynamik des Elektronentransfers, sondern nur die Größe der Spektren um <10 % über zwei Stunden.

Wir haben daher eine alternative Möglichkeit in Betracht gezogen, dass parallel gestapelte Häme als Elektronendonor- und -akzeptorpaar dienen können (Abb. 4). Wir stellten die Hypothese auf, dass der Ladungstransfer im angeregten Zustand zwischen zwei benachbarten Hämen stattfindet, wobei sich nur eines der Häme im angeregten Zustand befindet. Eine solche Ladungsübertragung würde zum Auftreten eines reduzierten Häms führen und ein doppelt oxidiertes Häm zurücklassen (Abb. 4). Das berechnete UV-Vis-Spektrum eines doppelt oxidierten Häms zeigte tatsächlich ein Absorptionsmaximum bei λ = 365 nm, was mit der experimentell beobachteten Spezies bei λ = 367 nm übereinstimmt. Unser berechnetes Spektrum eines doppelt oxidierten Häms erfasst somit die im transienten Absorptionsexperiment beobachtete Blauverschiebung (ergänzende Abbildung 10). Die qualitative Übereinstimmung zwischen den berechneten und experimentellen Spektren ist unabhängig vom Spinzustand doppelt oxidierter Spezies wie dem Singulett- und Triplettzustand.

Um die Natur doppelt oxidierter Spezies zu identifizieren, führten wir eine Analyse der Atomspinpopulationen durch. Wir fanden heraus, dass die Veränderung der Spinpopulationen nur an den Liganden und nicht im Eisenzentrum auftritt. Daher legt unsere Analyse nahe, dass es sich bei den doppelt oxidierten Spezies um Fe3+ + Porphyrinradikale handelt, was mit den beobachteten Spektren bei 367 nm übereinstimmt. Diese Analysen legen weiterhin nahe, dass es sich bei den doppelt oxidierten Spezies nicht um Fe4+ handelt, da sich die Spindichte am Eisenzentrum bei zusätzlicher Oxidation des Häms im Fe3+-Zustand nicht ändert (Ergänzungsabbildung 10 und Ergänzungstabelle 1).

Um die thermodynamische Machbarkeit radikalischer Hämspezies weiter zu bewerten, verwendeten wir den Rehm-Weller-Zyklus. Diese Analyse erfordert vier energetische Begriffe: (1) Energie, die zur Bildung radikalischer Hämspezies erforderlich ist (basierend auf Eisen-Porphyrin-Systemen52) (1,7 V), (2) das Grundzustands-Redoxpotential von OmcS (−212 mV)51, (3) die Photonenenergie, die zur Anregung von OmcS-Nanodrähten verwendet wird (λ = 545 nm = 2,3 eV) und (4) die Schwingungsenergiedifferenz zwischen dem Grund- und dem angeregten Zustand, die sogenannte Coulomb-Stabilisierungsenergie, die mit dem intermediären Radikalionenpaar53 (ωp) ~60 verbunden ist meV. Daher wäre die Energie dieses Prozesses ΔGet = [1,7 eV–(−0,212 eV) + 0,06 eV]−2,3 eV = −0,4 eV. Somit ist ΔGet < 0 für die Bildung der radikalischen Hämspezies, was sie energetisch möglich macht. Unsere Analyse ist eine niedrigere Schätzung der Nettoenergie, die für die Bildung der Radikalspezies zur Verfügung steht. In Kombination mit unserer simulierten Analyse deuten unsere Studien daher darauf hin, dass es sich bei den doppelt oxidierten Spezies um Fe3+ + Porphyrin-Radikale handelt und dass Nanodrähte durch ultraschnellen lichtinduzierten Häm-zu-Häm-Ladungstransfer photoreduziert werden.

Basierend auf den obigen Ergebnissen schlagen wir das folgende Modell für den Ursprung der Photoleitfähigkeit in OmcS-Nanodrähten vor (Abb. 4). Dieses Modell konzentriert sich auf die Singulett-Zustände und nicht auf die Triplett-Zustände, da diese Zustände spektroskopisch dunkel sind und aufgrund ihrer niedrigeren Energien weniger ausgeprägt wären. Da diese Nanodrähte Ladungen durch nahtlose Stapelung von Hämen transportieren (Abb. 1c), haben unsere früheren Experimente gezeigt, dass sie als Redoxleiter behandelt werden können, wobei der Ladungstransfer über große Entfernungen durch einen theoretisch vorhergesagten Sprungmechanismus mit vernachlässigbarem Ladungsträgerverlust gesteuert wird Mikrometer54. Alle Häme in den Nanodrähten sind zunächst oxidiert und befinden sich in ihrem Grundzustand, wie durch UV-Vis-Spektroskopie bestätigt (Abb. 2b). Beim Anlegen einer Vorspannung werden Elektronen von der Elektrode in den Nanodraht injiziert, wodurch ein reduzierter Zustand entsteht, der sich durch den Nanodraht bewegt (Abb. 4b). Die Photoanregung löst einen ultraschnellen Ladungstransfer aus, der zu einem zusätzlichen reduzierten Zustand führt, der über einen Zeitraum von Pikosekunden ohne angelegte Vorspannung weit entfernt von der Elektrode bestehen bleibt (Abb. 4c). Dieser neu gebildete reduzierte Zustand weist eine ähnliche Mobilität wie der elektrodeninjizierte Zustand auf, da beide im selben Nanodraht mit identischer Struktur vorhanden sind. Daher wird bei Photoanregung die Dichte reduzierter Zustände erhöht, wodurch die Trägerdichte des OmcS erhöht wird, um Photoleitfähigkeit in Nanodrähten zu erzeugen. Die in unserem fs-TA beobachtete Photoreduktion stimmt mit diesem Modell überein.

Zusätzlich zu der höheren Trägerdichte aufgrund der photogenerierten Elektronen ist es wahrscheinlich, dass die Mobilität der Elektronen bei Photoanregung aufgrund der erhöhten Antriebskraft für den Ladungstransfer im angeregten Zustand von Hämen zunimmt43. Bei der Photoanregung wird ein Elektron vom Grundzustand in einen angeregten Zustand versetzt. Der ultraschnelle Ladungstransfer zwischen benachbarten Hämen erzeugt im angeregten Zustand ein Häm im reduzierten Zustand und ein doppelt oxidiertes Häm (Abb. 4c, d). Das Häm im reduzierten Zustand kann dann vom angeregten in den Grundzustand entspannen. Bei Photoanregung wird der gleichmäßig oxidierte Nanodraht somit teilweise reduziert und teilweise doppelt oxidiert (Abb. 4c).

Das erzeugte doppelt oxidierte Häm verändert die Redoxenergien der Hämkette und führt zu einem positiveren Redoxpotential. Wir haben zuvor festgestellt, dass das Redoxpotential von OmcS-Hämen bei Oxidation im Wesentlichen positiv wird43. Die OmcS-Nanodrähte transportieren Ladungen über einen Sprungmechanismus54 – ein Prozess, bei dem eine Ladung (Elektron oder Loch) vorübergehend an einem Häm verbleibt und seinen Redoxzustand ändert. Die treibende Kraft für den Ladungstransfer hängt von den Redoxenergien der elektronenspendenden und -aufnehmenden Häme ab. Daher steht die Ladungsübertragungsrate in direktem Zusammenhang mit der Mobilität.

Im vollständig oxidierten (nicht angeregten) Zustand beginnt dieser Prozess an der Elektrodenoberfläche, wo injizierte Elektronen zu den Redoxstellen der Nanodrähte springen und lokal reduzierte Häme erzeugen. Für den photoangeregten Zustand wird dieser Prozess verstärkt, da die Übertragung eines Elektrons auf die doppelt oxidierte Spezies und die Entfernung eines Elektrons aus einem reduzierten Häm im beleuchteten Nanodraht deutlich günstiger sind als für den oxidierten Nanodraht im Dunkeln. Die erhöhte Wahrscheinlichkeit einer Ladungsübertragung bei Photoanregung führt dann zu einer erhöhten Mobilität. Darüber hinaus erhöht der anfängliche ultraschnelle Ladungstransfer zwischen Hämen die Lebensdauer des photogenerierten Zustands. Sowohl die Erzeugung einer „neuen“ mobilen Ladung als auch die Erhöhung ihrer Mobilität werden zum beobachteten Anstieg der Leitfähigkeit bei Photoanregung beitragen.

Zusammenfassend demonstrieren wir zum ersten Mal eine signifikante Photoleitfähigkeit in einem lebenden System aufgrund eines ultraschnellen lichtinduzierten Ladungstransfers innerhalb von Protein-Nanodrähten. Der überraschende Ursprung der Photoleitfähigkeit in diesen natürlichen Systemen liegt in der höheren Ladungsträgerdichte und -mobilität bei Photoanregung.

Obwohl in monomeren Cytochromen ein ultraschneller Elektronentransfer stattfinden kann, erfordert er typischerweise eingebaute Farbstoffe als Photosensibilisatoren und Opferelektronendonatoren36, die für Zellen toxisch sein können1. Im Gegensatz dazu stellen wir fest, dass die Protein-Nanodrähte intrinsisch einen robusten und ultraschnellen Ladungstransfer aufweisen, ohne dass eine solche ortsselektive Markierung erforderlich ist. Unsere Studien belegen somit, dass OmcS-Nanodrähte zelleigene Photoleiter mit der Fähigkeit zur ultraschnellen Elektronenübertragung sind, wodurch der Bedarf an Fremdmaterialien wie molekularen Farbstoffen oder anorganischen Nanopartikeln, die die katalytische Leistung einschränken, entfällt1.

Darüber hinaus zeigen unsere Studien, dass in natürlichen Proteinen im angeregten Zustand ein Ladungstransfer im Sub-PS-Bereich möglich ist. Frühere Studien zum ultraschnellen Elektronentransfer haben Grundzustandsgeschwindigkeiten von 15–90 ps in den am dichtesten gestapelten Hämen ergeben 36 . Dieser Unterschied ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die Geschwindigkeiten angeregter Zustände bekanntermaßen aufgrund der höheren Energie und der größeren Orbitaldelokalisierung schneller sind als die Geschwindigkeiten im Grundzustand49.

Obwohl sich viele EET-Studien zu Bakterien weiterhin auf Elektronen konzentrieren, spielen Protonen eine sehr wichtige Rolle, nicht nur bei der bakteriellen Energieerzeugung, sondern auch bei der elektronischen Leitfähigkeit von Proteinen55. Durch Messungen der intrinsischen Elektronentransferrate haben wir beispielsweise zuvor herausgefunden, dass sowohl die Energie eines Glutamins (Protonenakzeptor) als auch seine Nähe zu einem benachbarten Tyrosin (Protonendonor) den Lochtransport über Mikrometer in Amyloiden durch Protonenschaukeln regulieren Mechanismus56. Daher ist es sehr wichtig, den Elektronen-/Protonentransfer zu koppeln, um den EET zu beschleunigen und für die Entwicklung elektronisch leitfähiger Biomaterialien auf Proteinbasis.

Die große Oberfläche dieser Nanodrähte in Kombination mit ihrer Biokompatibilität und mangelnden Toxizität machen sie zu attraktiven Kandidaten für ein aufstrebendes Gebiet der lichtgesteuerten Ganzzell-Bioelektrokatalyse für ein breites Anwendungsspektrum wie Wasserspaltung, chemische Sensorik und CO2-Fixierung Produktion von Chemikalien, Kraftstoffen und Materialien57. Unsere Studien können auch dazu beitragen, die effiziente und stabile Produktion flüssiger Kraftstoffe aus Sonnenlicht mithilfe eines Ansatzes für flüssiges Sonnenlicht zu etablieren5. Zukünftige Studien zu Nanodrähten mit unterschiedlicher Häm-Stapelung und Proteinumgebung8 oder zum Ersatz der Metalle von Eisen durch Zink58 oder Zinn59 könnten die Wechselwirkungen zwischen den Häm-Cofaktoren variieren, um die elektronischen und photophysikalischen Eigenschaften von Nanodrähten für eine abstimmbare Funktionalität zu verändern57.

Der Geobacter Sulfurreducens60-Stamm CL-1, der eine erhöhte Häufigkeit des OmcS-Proteins37 produziert, wurde aus unserer Laborkultursammlung gewonnen und wie zuvor beschrieben auf Elektroden in einem bioelektrochemischen System gezüchtet20,61. Für das Wachstum in Flüssigkultur wurden die Zellen bis zur stationären Phase61 gezüchtet und durch Zentrifugation gesammelt. Anschließend wurde eine leicht modifizierte Version eines zuvor beschriebenen Protokolls7 verwendet, um extrazelluläre Filamente von den Zellen abzuscheren. Kurz gesagt, pelletierte Zellen wurden in 150 mM Ethanolamin, pH 10,5, suspendiert und 2 Minuten lang bei niedriger Geschwindigkeit in einer kommerziellen Einheit (Waring) gemischt. Zellen und Zelltrümmer wurden durch Zentrifugation entfernt, zunächst bei 13.000 und dann bei 23.000 x g. OmcS-Filamente wurden dann entweder durch Ausfällung in 12,5 % Ammoniumsulfat oder durch Ultrazentrifugation bei 100.000 xg gemäß den zuvor beschriebenen Protokollen zur Gewinnung mikrobieller Nanodrähte aus G. Sulfurreducens10 gesammelt. Gesammelte OmcS-Filamentproben wurden resuspendiert und in 150 mM Ethanolamin, pH 10,5, gelagert und gegebenenfalls dialysiert, um restliches Ammoniumsulfat zu entfernen.

UV-Vis-Spektren wurden mit einem Spektrophotometer (Avantes AvaSpec-ULS2048CL-EVO) aufgezeichnet. Für Nanodrähte wurde ein Quarzobjektträger mit Ethanol gereinigt und 2 µl 80 µM Protein auf diesen Objektträger getropft und dann 20 Minuten im Exsikkator getrocknet. Weitere 2 µl wurden auf die gleiche Stelle getropft und erneut 20 Minuten im Exsikkator getrocknet. Das Spektrum wurde für die luftoxidierte Probe aufgenommen. Dann wurden 40 mg/ml Natriumdithionit in Wasser getropft, um den Proteinfleck abzudecken (2–3 µl). Das Dithionit bewirkte eine chemische Reduktion der Hämmoleküle im Protein. Anschließend wurde das Spektrum des reduzierten Materials aufgenommen. Alle Spektren wurden so normalisiert, dass die minimalen und maximalen Absorptionswerte für Wellenlängen über 380 nm auf Null bzw. 1 gesetzt wurden. Die Biofilm-Festkörpermessungen wurden an einer FTO-Elektrode unter hydratisierenden Bedingungen durchgeführt, wobei der Hintergrund einer sauberen FTO-Elektrode abgezogen wurde.

Es wurden drei verschiedene Arten von Elektroden verwendet, die auf Gold (Au), Wolfram (W) und fluordotiertem Zinnoxid (FTO) basieren. Die Designs bestanden aus ineinandergreifenden Elektroden, die ein „Finger“-Muster erzeugen, bei dem jede ungerade nummerierte Leitung mit einem Pad und jede gerade nummerierte mit dem gegenüberliegenden elektrischen Kontakt verbunden ist. Diese dichte Elektrodenpackung sorgt für eine große Anzahl elektronischer Kontakte. Die gemessenen Daten liegen im Durchschnitt über 132 Drahtverbindungspaare und liefern im Vergleich zu einem Einzelelektrodengerät ein besseres Signal.

Bei den Goldelektroden betrug der Abstand zwischen den einzelnen Linien 5 µm und bei den Wolfram- und FTO-Elektroden betrug der Abstand 10 µm. In allen Fällen war die Elektrode (der metallisierte Teil) 10 µm breit.

Die Gold- und Wolframelektroden wurden mittels UV-Lithographie auf thermisch oxidiertem Siliziumwafer hergestellt. Durch die thermische Oxidation entstand eine 300 nm dicke Siliziumoxidschicht, die ein glattes und elektrisch isolierendes Substrat bildet. Die Metallelektroden wurden durch Schleuderbeschichtung eines Doppelresists bestehend aus LOR 5-A und S1805 hergestellt. LOR 5-A wurde 1 Minute lang bei 3000 U/min aufgetragen und anschließend 5 Minuten lang auf 180 °C erhitzt. Nach diesem Einbrennschritt wurde eine zweite Resistschicht S1805 1 Minute lang bei 3000 U/min aufgetragen und 2 Minuten lang bei 120 °C ausgehärtet. Anschließend wurden die Resists durch eine Schattenmaske UV-Strahlung ausgesetzt und 2 Minuten lang im MIF 319-Entwickler entwickelt. Die strukturierten Photoresists wurden dann mit 5 nm Ti oder Cr und 40–60 nm Au oder W metallisiert. Ein Lift-off in erhitztem (80–120 °C) NMP entfernte die metallisierten Resists und führte zur endgültigen Mikrostrukturelektrode. Anschließend wurde eine Schutzbeschichtung auf das Gerät aufgeschleudert. Diese Beschichtung wurde vor der Verwendung der Elektrode mit Aceton abgewaschen. Jede Elektrode wurde vor der Proteinablagerung getestet, um eine ordnungsgemäße elektrische Isolierung zwischen den beiden Elektroden sicherzustellen.

Für die FTO-IDE-Elektroden wurde kommerziell erhältliches FTO auf Quarzglas verwendet. Der S1805-Resist wurde wie zuvor beschrieben schleuderbeschichtet und strukturiert. Nach der Strukturierung wurde dieser Resist als weiche Maske beim reaktiven Ionenätzen verwendet. Das Ätzen wurde in einem Oxford Plasmalab 100 RIE mit einem Kammerdruck von 8 mTorr und einem Gasfluss von 8 sccm Cl2 und 40 sccm Ar durchgeführt. Das Ätzen wurde durchgeführt, bis das unerwünschte FTO vollständig entfernt war. Der verbleibende Fotolack wurde in heißem NMP (120 °C) entfernt und die endgültigen Geräte wurden mit einer Schutzschicht überzogen. Diese Beschichtung wurde vor der Verwendung der Elektroden mit Aceton entfernt. Jede Elektrode wurde sorgfältig überprüft, um sicherzustellen, dass die beiden Kontakte elektrisch isoliert sind.

Leitfähigkeitsmessungen an Nanodrähten und Biofilmen wurden wie zuvor beschrieben62 durchgeführt. Die Verbindungen zu den Geräteelektroden wurden mit einer Sondenstation (MPI TS50) in einer Dark Box hergestellt, die einen Faradayschen Käfig bildete und auch Hintergrundlicht blockierte. Strom und Spannung wurden mithilfe eines Halbleiterparameteranalysators mit Vorverstärkern (Keithley 4200 A-SCS) angelegt, der eine Stromauflösung von 1 fA und eine Spannungsauflösung von 0,5 μV ermöglichte. Bei Zweipunkt-DC-Leitfähigkeitsmessungen wurden zwei Sondennadeln verwendet, um das Gerät an zwei benachbarten Elektroden zu kontaktieren. Im Probenahmemodus wurde für mindestens 100 s eine feste Spannung im Bereich von ±0,3 V an die beiden Elektroden angelegt, bis ein konstanter Strom erreicht war. Spannungs-Strom-Punkte wurden mit einer Linie angepasst und die Steigung wurde zur Bestimmung der Leitfähigkeit (G) verwendet.

Geräte wurden vorbereitet, indem 0,5 µL 8 µM Nanodrähte in 150 mM Ethanolamin, pH 10,5, auf das Gerät getropft und über Nacht in Umgebungsatmosphäre trocknen gelassen wurden. Der auf dem Material gebildete Tropfen hatte einen Durchmesser von 1,4 ± 0,1 mm. Die Elektrodenfläche betrug 2 × 2 mm, wodurch sichergestellt wurde, dass das gesamte Material elektrisch kontaktiert war.

Zur Durchführung von Photoleitfähigkeitsmessungen wurde die zuvor beschriebene Sondenstation mit einem Diodenlaser mit einem durchschnittlichen Ausgangsfluss von 100 mW/cm2 und einer Mittenwellenlänge von 408 nm ausgestattet. Dieser Laserspot wurde so eingestellt, dass er größer als die Elektrodenfläche ist, um eine homogene Anregung des Materials zu gewährleisten. Der Laserstrahl wurde mithilfe eines optischen Verschlusses mit einer Reaktionszeit von 1 ms blockiert/freigegeben.

Leitfähigkeitsmessungen an reduzierten Nanodrähten wurden durchgeführt, indem 0,25 µL einer konzentrierten Natriumdithionitlösung mit 9,75 µL Nanodrähten in einer anaeroben Umgebung gemischt wurden, sodass in der Endlösung ein 50-facher molarer Überschuss an Dithionit zur Hämkonzentration vorlag. 0,5 µL wurden auf eine Elektrode getropft und über Nacht in der anaeroben Kammer getrocknet.

Die transienten Absorptionsspektren wurden am Center for Functional Nanomaterials (CFN), Teil des Brookhaven National Laboratory, gesammelt. Weitere Daten wurden an der Drexel University erhoben. Das Signal-Rausch-Verhältnis des kommerziellen CFN-Spektrometers war den Daten von Drexel überlegen, daher wurden die bei Drexel gesammelten Daten ausschließlich in der Ergänzung dieses Manuskripts verwendet. Die ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die Datenerhebung bei CFN.

Die TA-Spektren wurden mit einem Helios (Ultrafast Systems) TA-Spektrometer gesammelt. Die Anregungswellenlänge wurde in einem TOPAS OPA erzeugt. Der Sondenpuls wurde über Superkontinuum in Calciumfluorid erzeugt.

Für jede Messung wurde die räumliche Überlappung für das stärkste Signal optimiert. Jeder Datensatz wurde mehrere Stunden lang iteriert. Anschließend wurde jede Iteration mit dem Mittelwert der Iteration verglichen, um die Langzeitstabilität des Spektrometers und des Probenmaterials sicherzustellen.

Die Probe wurde durch Tropfengießen von 5 µl Proteinlösung auf ein frisch gereinigtes Quarzsubstrat vorbereitet. Die Proben wurden 60 Minuten lang in einem Exsikkator trocknen gelassen. Diese Abscheidung wurde wiederholt, um dickere Filme zu erzeugen. Basierend auf der optischen Transmission wurde ein Ort auf der Probe mit ausreichender Soret-Bandenabsorption und akzeptabler Streuung ausgewählt.

Die gesammelten TA-Spektren wurden mit drei Softwareprogrammen verarbeitet: Surface Xplorer (Ultrafast Systems), MATLAB und Glotaran. Surface Xplorer wurde verwendet, um die Daten zu visualisieren und Messungen mit angemessenem Signal-Rausch-Verhältnis auszuwählen. Diese Auswahl reduzierte die Anzahl der verarbeiteten Spektren auf 15. Von diesen Messungen wurden sieben bei 545 nm gepumpt (im Haupttext gezeigt), vier bei 530 nm gepumpt (in SI gezeigt) und vier bei 400 nm gepumpt (in SI gezeigt). Alle diese Messungen wurden ausgewertet, um die Kinetik und Dynamik der spektralen Entwicklung zu bestimmen. Die Hauptauswertung wurde für eine Pumpwellenlänge von 545 nm durchgeführt, da hierdurch die geringste Energieeintragung und somit Erwärmung in das Probenmaterial erfolgt. Die anderen beiden Wellenlängen bestätigten die ermittelte Kinetik.

Surface Xplorer wurde verwendet, um den spektralen Chirp zu kompensieren, der mit der wellenlängenabhängigen Dispersion in der verwendeten Probe und dem Quarzsubstrat einhergeht. Diese Korrektur stellte sicher, dass der Zeitnullpunkt unabhängig von der Wellenlänge war. Nach dieser ersten Verarbeitung wurden die gemessenen 1024 Wellenlängenpunkte auf 512 Punkte gemittelt, was zu einer Wellenlängenauflösung von etwa 1 nm führte.

Die vorverarbeiteten Daten wurden dann in MATLAB importiert. Sechs Messungen bei 545 nm Pump wurden in einem einzigen Satz gemittelt (nach Berücksichtigung von Zeit-Null-Jitter). Diese Datensätze werden im Haupttext angezeigt. Die Dynamik bei 410 nm, 367 nm und 424 nm wurde gleichzeitig mit einer doppelten Exponentialfunktion, die mit der Instrumentenreaktionsfunktion gefaltet war, und einem Momentaninjektionsmodell als Heaviside-Funktion angepasst. Die Lebensdauern dieser einfachen dynamischen Anpassung mit drei Wellenlängen werden als Ausgangspunkte für die detaillierte Zielanalyse mit Glotaran verwendet.

Die vorverarbeiteten Daten (aus der Datenverarbeitung des Surface Xplorer) wurden dann in Glotaran geladen und zeitlich auf −2 ps bis unendlich und im Wellenlängenraum auf 340–505 nm gekürzt. Diese Software wurde für die globale Analyse verwendet. Das Modell geht von einer globalen Zerfallsdynamik aus, die durch eine feste Anzahl von Zerfallskonstanten definiert ist. Basierend auf unserem Modell haben wir entschieden, dass eine sequentielle Analyse am besten geeignet ist, die Prozesse in photoangeregtem OmcS zu beschreiben.

Das sequentielle Modell kann jedoch die einzelnen Arten nicht direkt vom Bleichmittel im Grundzustand der Hauptart trennen. Dies wird durch die zeitliche Überlappung zwischen den Zerfällen und dem parallelen Zerfall der angeregten Hämspezies in den Grundzustand verursacht, der keinen vollständigen Ladungstrennungsschritt durchläuft.

Das sequentielle Modell geht von einer Anregung aus, die zu 19 ± 23 fs passt. Dies ist schneller als die Reaktionszeit des Instruments von 100 ± 10 fs. Die Anregung kann daher als augenblicklich betrachtet werden (was die verwendete Heaviside-Näherung in der vorläufigen Analyse in MATLAB rechtfertigt). Nach der Anregung werden die Ladungen innerhalb von 212 ± 27 fs von einem Häm auf ein anderes übertragen. Die entsprechenden Spektren sind eine Überlagerung eines Bleichens im Grundzustand und des Auftretens eines neuen Merkmals bei etwa 367 nm, das als doppelt oxidiertes Häm identifiziert wird (gemäß der vorgestellten Spektralsimulation). Dieser Ladungstransfer führt zur Bildung eines reduzierten Häms im angeregten Zustand. Ein zweiter Zerfall mit einer Zeitkonstante von 1 ± 0,1 ps beschreibt die Relaxation des angeregten reduzierten Häms. Eine letzte dritte Zeitkonstante mit 7,9 ± 0,3 ps beschreibt die Relaxation des Systems in seinen Ausgangszustand, einschließlich der Ladungsrückübertragung in den einzelnen oxidierten Häm-Grundzustand.

Die Topographie und die elektrische Leitfähigkeit von Nanodrähten auf der Goldoberfläche wurden beide mithilfe der Messmodi „Konventionelles Klopfen“ (AC) und „Konduktive Rasterkraftmikroskopie“ (c-AFM, ORCA™) mit einem kommerziell erhältlichen AFM (Cypher ES, Oxford Instruments Asylum Research, USA) gemessen. Ausgestattet mit der photothermischen Anregung blueDrive™. Bei der Sonde handelte es sich um eine kommerziell erhältliche ASYELEC-01-R2-Sonde (Asylum Research) mit Ti/Ir-Beschichtung und einer Nennresonanzfrequenz f = 75 kHz, einer Federkonstante k = 2,8 N/m und einem Spitzenradius Rtip = 28 ± 10 nm; Die gemessenen Werte betrugen f0 = 86,6 kHz und k0 = 5,8 N/m für die spezifische Sonde, die bei diesen Messungen verwendet wurde. Um die Probe vorzuspannen, wurde ein kleiner Neodym-Magnet (1/32" x 1/16" Durchmesser, K&J Magnetics) mit Silberfarbe (PELCO) auf die Oberseite der Nanodrähte-auf-Gold-Probe geklebt und elektrisch kontaktiert ® Leitsilber, Ted Pella).

Für die Topographie im Klopfmodus wurde die Sonde mit Piezobetätigung mit einer Scanrate von 1 Linie/s, einer freien Amplitude von 120 nm (0,58 V bei einer Empfindlichkeit von 207 nm/V) und einem Sollwert von ~100 nm (0,5 V) angetrieben ), um die Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe im sogenannten „attraktiven“ oder „kontaktlosen“ Zustand sehr sanft zu halten, um eine Beschädigung der Nanodrähte zu vermeiden.

Nach dem topografischen Scan wurde cAFM mit einem Kraftsollwert von 50 nN verwendet, um Punkt-IV-Messungen an einzelnen Nanodrähten durchzuführen, um deren Leitfähigkeit zu messen (n = 15 Nanodrähte), mit einem Probenspannungsdurchlauf von ±0,5 V bei einer Durchlaufrate von 1 V/s für 20 Sweep-Zyklen bei 2 kHz Erfassungsrate (1 kHz Tiefpassfilter). Die zusätzlichen Auswirkungen der Photoanregung auf die Leitfähigkeit von Nanodrähten wurden untersucht, indem der blueDrive™-Laser als Anregungsquelle (405 nm, 10 mW Gleichstrom, mit einem Punktdurchmesser von 2 ± 1 µm) bei mindestens 20 aufeinanderfolgenden IV-Durchläufen umgeschaltet wurde. Dies wurde mithilfe des bereitgestellten 0,01-fachen Filterwürfels (Asylum Research) und der Positionierung des Laserpunkts an der Spitze der Sondenspitze erreicht (anstatt ihn als Schwingungsanregung der Sonde zu verwenden); Dies sorgt für eine Beleuchtung von [10e-3 W]/[π*(1e-6 m)2]*0,01 = 32 µW/µm2 auf den Nanodrähten.

Für Kontrollexperimente in diesen pc-AFM-Messungen wurde auch eine frische, vom Templat befreite Goldprobe (identisch mit der Oberfläche, auf der die Nanodrähte abgeschieden wurden) mit einem elektrischen Kontakt wie oben hergestellt. Als Positivkontrolle wurde die Spitzen-Gold-Leitfähigkeit unter den gleichen Bedingungen gemessen (50 nN Belastungskraft, ±0,5 V bei 1 V/s, 20 Zyklen), um einen ohmschen Kontakt in Abwesenheit von Nanodrähten sicherzustellen. Als Negativkontrolle für fotoleitende Messungen wurde die Spitzengoldleitfähigkeit unter den gleichen Bedingungen (50 nN Belastungskraft, ±0,5 V bei 1 V/s, 20 Zyklen) gemessen, wobei die blueDrive-Anregung nacheinander ein- und ausgeschaltet wurde, um dies zu bestätigen In Abwesenheit von Nanodrähten ergab sich keine Änderung der Spitzengoldleitfähigkeit durch die 405-nm-Anregung.

An jedem Sammelpunkt auf einem einzelnen Nanodraht wurden mindestens 20 IV-Kurven gesammelt. Die letzte Hälfte aller an einem einzelnen Punkt erfassten Strom-Spannungs-Kurven (mindestens 10 Kurven) wurde zur Berechnung des Leitwerts verwendet. Die IV-Kurven wurden dann nach Nanodraht sortiert und die Steigung jeder Kurve gemessen, um die Leitfähigkeit zu erhalten. Bei allen Nanodrähten wurden alle Ausreißer in der Leitfähigkeit durch drei mittlere Absolutionsabweichungsanalysen auf dem Log10-Wert der Leitfähigkeit entfernt. Alle verbleibenden individuellen Leitfähigkeitswerte für jeden Nanodraht wurden gemittelt, um die mittlere Leitfähigkeit des einzelnen Nanodrahts zu erhalten. Die Analyse für die Stromspannungskurven „Laser AUS“ und „Laser EIN“ war identisch.

Bei der Interpretation von Photoanregungsexperimenten ist es wichtig zu überprüfen, ob das Experiment in einem linearen oder nichtlinearen Anregungssystem durchgeführt wurde. Im letzteren Fall wäre die Photoanregung stark genug, um nichtlineare Effekte (z. B. sättigbare Absorption) auszulösen oder Elektron-Elektron-Wechselwirkungen (ee-Streuung, Auger-Effekt usw.) zu verursachen. Diese Effekte würden eine abschließende Diskussion der Experimente schwieriger machen. Im linearen Regime wird nur ein kleiner Prozentsatz der Moleküle angeregt, während der Großteil im Grundzustand verbleibt. Obwohl es keinen endgültigen Schwellenwert für den linearen vs. nichtlinearen Bereich gibt, wird üblicherweise eine Erregung von weniger als 1 % als linear akzeptiert.

Wir haben die prozentualen Anregungen basierend auf der bekannten optischen Leistungsdichte von 100 mW/cm2 und der Gesamtlebensdauer des photoangeregten Systems (τ = 7,9 ps) berechnet. Das hier verwendete Kernkonzept besteht darin, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt eine bestimmte Anzahl von Photonen auf die Hämmoleküle trifft und sie anregt, während zuvor angeregte Hämmoleküle in ihren Grundzustand rekombinieren.

Die Rekombination wird als N(t) = N(t-Δt) e^-Δt/τ beschrieben, wobei Δt ein kleiner Zeitschritt ist63. Die CW-Laseranregung wurde mithilfe des Zeitschritts diskretisiert, um einen durch die Laserleistung festgelegten Gesamtphotonenfluss zu erhalten. Unter der Annahme einer Quantenausbeute von 100 % bedeutet dies, dass die Erzeugung angeregter Häme direkt durch den Photonenfluss beschrieben wird. Ab t = 0 steigt die Population im Wettbewerb mit der Rekombination wie N(t) = G(Δt) -N(t-Δt) e^-Δt/τ. Nach einer Nanosekunde nähert sich N(t) einem quasistationären Wert von 1,6 · 106 Molekülen/cm2. Vergleicht man diesen Wert mit der Gesamtproteindichte von 2,5 · 1013 Molekülen/cm2, ergibt sich ein Verhältnis von 6,4 · 10−6 %. Dieser Näherungswert liegt deutlich unter 1 %, was die lineare Interpretation unserer Experimente rechtfertigt.

Die c-Typ-Häm-Cofaktoren von OmcS wurden als Eisenporphyrin modelliert, wobei die Methyl-, Thioether- und Propionsäuresubstituenten des Makrozyklus durch Wasserstoffatome ersetzt wurden. Die beiden axial koordinierten Histidinreste wurden an der Cb-Cg-Bindung verkürzt, um 1-Methylimidazol-Liganden zu ergeben. Dieses Modellsystem wurde ausgiebig zur theoretischen Charakterisierung der Strukturen, Spektren und Reaktivität von Häm-Cofaktoren64 verwendet.

Die Geometrie des Hämmodells wurde auf der Ebene der Dichtefunktionaltheorie (DFT) in den reduzierten, einfach oxidierten und doppelt oxidierten Redoxzuständen optimiert. Harmonische Frequenzanalysen bestätigten, dass sich das Hämmodell für jeden Redoxzustand auf einem lokalen Minimum auf der jeweiligen Grundzustandspotentialenergieoberfläche befand. Die reduzierten und einfach oxidierten Spezies wurden mit der niedrigsten Spinmultiplizität (Singulett bzw. Dublett) optimiert. Das Modell des doppelt oxidierten Häms wurde sowohl im Triplett- als auch im Singulett-Verteiler untersucht. Für die einfach und zweifach oxidierte Spezies im Grundzustand betrug der Erwartungswert des Spin-Quadrat-Operators 0,75 und 2,00 nach der Anellierung von Spinverunreinigungen.

Alle Geometrieoptimierungen und harmonischen Frequenzanalysen wurden mit der Becke-Drei-Parameter-Lee-Yang-Parr-Hybridfunktion (B3LYP)65 und einem gemischten Basissatz durchgeführt, wobei die effektiven Kern- und Valenzfunktionen LANL2DZ auf Fe66 und 6-31 G angewendet wurden (d) Basis für H-, C- und N-Atome. Wie bei den im nächsten Unterabschnitt beschriebenen vertikalen Anregungsberechnungen verwendeten wir eine enge selbstkonsistente Feldkonvergenz und ein ultrafeines Integrationsgitter, wie in Gaussian 16 Revision A.03 implementiert.

Die Simulation wurde an zwei Arten benachbarter Hämpaare durchgeführt, nämlich T-Stack und Slip-Stack, die in der OmcS-Struktur vorhanden sind (Abb. 1d). Nur die Slip-Stack-Paare zeigten einen Ladungstransfer (ergänzende Abbildung 9b). Daher war diese Berechnung auf benachbarte Häme beschränkt.

Das Absorptionsspektrum des Häms in jedem Redoxzustand wurde im Vakuum mit zeitabhängiger (TD)-DFT unter Verwendung der B3LYP-Funktion und eines 6-31 + G(d)-Basissatzes für alle Atome67,68,69 simuliert. Die vorhergesagten Spektren waren gleichmäßig um 38 nm verschoben, um die Übereinstimmung mit den experimentellen Spektren zu verbessern. Die interessierenden angeregten Zustände – die beiden Soret-Übergänge – zeigten eine gewisse Spinverunreinigung der einfach und zweifach oxidierten Spezies, was ein bekanntes Problem bei TD-DFT70 ist. wich jedoch nur um 0,2–0,5 vom nicht kontaminierten Wert ab, und die für die doppelt oxidierte Spezies vorhergesagte Blauverschiebung im Vergleich zur reduzierten oder einfach oxidierten Spezies war ähnlich, unabhängig davon, ob sie als geschlossenschaliges Singulett modelliert wurde oder nicht offenschaliges Triplett. Wir kommen daher zu dem Schluss, dass die zur Erklärung der experimentellen Beobachtung erforderliche Blauverschiebung unabhängig von der Spinverunreinigung ist, die in unseren Berechnungen mit offener Schale vorliegt.

Die Dynamik des photoinduzierten intermolekularen Elektronentransfers zwischen benachbarten Hämen wurde mit einer zuvor beschriebenen Wellenpaketausbreitungsmethode modelliert, die im Rahmen des eng bindenden Extended Hückel-Frameworks implementiert wurde. Diese Theorieebene wurde früher verwendet, um die elektronische Struktur von Eisen- und anderen Metalloporphyrinen zu beschreiben48.

Strukturen, die sowohl für optische Spektrensimulationen als auch für Quantendynamiksimulationen verwendet werden, werden als Ergänzungsdaten 1 bereitgestellt.

Die Probengrößen basierten auf anerkannten Konventionen auf diesem Gebiet, um Reproduzierbarkeit und Statistiken sicherzustellen, und es wurde keine explizite Leistungsanalyse durchgeführt. Es wurden keine Daten von der Analyse ausgeschlossen. Alle Experimente wurden unabhängig voneinander mehrmals wiederholt, wie in der Legende angegeben, und alle Versuche, die Experimente zu replizieren, waren erfolgreich. Die Randomisierung war für die Studie nicht relevant, da alle Proben sowohl für Nano- als auch für Massenstudien ähnlich behandelt wurden. Die Forscher waren bei der Datenerfassung oder -analyse nicht auf die Gruppenzuordnung angewiesen, da alle Proben sowohl für Nano- als auch für Massenstudien ähnlich behandelt wurden. Die in Abb. 1b, c gezeigten Bilder wurden mindestens dreimal wiederholt. Das in Abb. 2a gezeigte Gel wurde mindestens dreimal wiederholt.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Research Reporting Summary.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich. Die wichtigsten relevanten Datensätze, die während der aktuellen Studie generiert und/oder analysiert wurden, sind zusammen mit dem Papier enthalten. Alle weiteren relevanten Daten sind in den Zusatzinformationen enthalten. Quelldaten werden mit diesem Dokument bereitgestellt.

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Wir danken Derek Lovley für die Bereitstellung der Sorte. Wir danken auch Jason Baxter (Drexel University), der sein TA-Spektrometer für vorläufige Messungen zur Verfügung gestellt hat. Diese Forschung wurde durch einen Career Award bei Scientific Interfaces vom Burroughs Welcome Fund (an NSM), den New Innovator Award des National Institutes of Health Director (1DP2AI138259-01 an NSM) und den NSF CAREER Award No. 1749662 sowie EAGER Award-Nr. 2038000 (an NSM). Die Forschung wurde vom Army Research Office (ARO) der Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) gesponsert und im Rahmen der Kooperationsvereinbarung Nr. W911NF-18-2-0100 (mit NSM) durchgeführt. Diese Forschung wurde auch durch ein All Points West-Stipendium und einen NDSEG Graduate Research Fellowship Award (an CCS) unterstützt. Für diese Forschung wurden Ressourcen des Center for Functional Nanomaterials (CFN), einer Benutzereinrichtung des US Department of Energy Office of Science im Brookhaven National Laboratory unter der Vertragsnummer DE-SC0012704, sowie des Yale SEAS-Reinraums Yale West genutzt Campus-Reinraum und der Yale West Campus Imaging Core.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Jens Neu, Catharine C. Shipps.

Abteilung für Molekulare Biophysik und Biochemie, Yale University, New Haven, CT, USA

Jens Neu, Catharine C. Shipps, Matthew J. Guberman-Pfeffer, Cong Shen, Vishok Srikanth, Sibel Ebru Yalcin und Nikhil S. Malvankar

Institut für Mikrobielle Wissenschaften, Yale University, West Haven, CT, USA

Jens Neu, Catharine C. Shipps, Matthew J. Guberman-Pfeffer, Cong Shen, Vishok Srikanth, Sibel Ebru Yalcin und Nikhil S. Malvankar

Fakultät für Chemie, Yale University, New Haven, CT, USA

Jacob A. Spies, Gary W. Brudvig und Victor S. Batista

Oxford Instruments Asylum Research, Santa Barbara, Kalifornien, USA

Nathan D. Kirchhofer

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JN und NSM entwarfen Massenexperimente, während NK, SEY und NSM Nanoexperimente entwarfen. JN stellte Elektroden her und führte eine fs-TA mit JAS durch, JN und CCS maßen die Leitfähigkeit von Nanodrähten und Biofilmen, CCS maß UV-Vis-Spektren, MJG führte Berechnungen unter der Aufsicht von VSB durch, CS züchtete Biofilme auf Elektroden in mikrobiellen Brennstoffzellen und fertigte Elektroden, VS gereinigte Protein-Nanodrähte, NK und SEY führten PC-AFM durch, GWB half bei der Dateninterpretation und NSM überwachte das Projekt. JNCCS und NSM haben das Manuskript unter Mitwirkung aller Autoren verfasst.

Korrespondenz mit Jens Neu oder Nikhil S. Malvankar.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Neu, J., Shipps, CC, Guberman-Pfeffer, MJ et al. Mikrobielle Biofilme als lebende Fotoleiter durch ultraschnellen Elektronentransfer in Cytochrom-OmcS-Nanodrähten. Nat Commun 13, 5150 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32659-5

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Eingegangen: 03. September 2021

Angenommen: 09. August 2022

Veröffentlicht: 07. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32659-5

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Naturmikrobiologie (2023)

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