Белки ведут себя как аморфные полупроводники

Международный коллектив ученых исследовал электрические свойства белков из бычьего сердца и вырабатывающей электричество бактерии. Для этого они измерили динамическую проводимость и диэлектрическую проницаемость материалов в широком диапазоне частот и температур, а для интерпретации полученных данных применили теоретические концепции, разработанные для описания явлений в физике твердого тела. Статья по материалам исследования опубликована в журнале Scientific Reports.

С одной стороны, электрическую проводимость металлов хорошо объясняет теория Друде, в которой электроны не взаимодействуют друг с другом и время от времени сталкиваются с кристаллической решеткой, примесями, дефектами. В теории Друде проводимость довольно слабо зависит от частоты вплоть до частоты столкновения носителей тока с кристаллической решеткой, примесями. Однако существует еще одна большая группа проводящих материалов, которые не попадают в эту категорию, тем не менее очень интересно ведут себя во внешнем электромагнитном поле. К таким материалам относятся стекла, ионные проводники и аморфные полупроводники.

Согласно теории Анджея Джоншера, при комнатной температуре и низкой частоте переменного тока (до нескольких мегагерц) носители заряда (например, электроны) ведут себя практически свободно, и для их описания можно применить теорию Друде. В результате мы получаем практически постоянную, не зависящую от частоты внешнего поля проводимость. Однако при повышении частоты (обычно до нескольких мегагерц) этот подход перестает работать и проводимость начинает быстро расти (пропорционально некоторой степени частоты, несколько меньшей единицы). То же самое происходит, если оставлять частоту постоянной, но постепенно охлаждать материал.

При этом оказывается, что свойства различных материалов очень похожи. Более того, если переписать зависимости в приведенных величинах (например, говорить не о проводимости, а об отношении проводимостей при переменном и постоянном токе), для всех веществ они будут выглядеть одинаковыми.

В своей работе российские ученые совместно с чешскими и германскими коллегами показали, что теория Джоншера также хорошо описывает электрические свойства еще трех материалов, на этот раз органических: белков бычий сывороточный альбумин (BSA) и цитохром C из сердца быка (CytC) и внеклеточного матрикса (extracellular matrix and filaments, EMF) бактерии Shewanella oneidensis MR-1, которая может производить значимый для технологии биологических топливных элементов электрический ток. Эта бактерия используется во многих исследованиях, посвященных альтернативным источникам энергии, и поэтому ее свойства представляют особенный интерес.

Сначала исследователи измерили проводимость указанных материалов, а также потери энергии в диапазоне частот от 1 герца до 100 трлн герц для температур от −260 до 40 °C. Кроме того, они измерили проводимость EMF на постоянном токе при температурах от 0 до 40 °C, температурное поведение теплоемкости, а также оценили содержание воды и металлических ионов во всех трех материалах.

В результате оказалось, что при комнатной температуре проводимость практически постоянна, а при увеличении частоты выше нескольких мегагерц становится пропорциональна некоторой ее степени, близкой к единице. У цитохрома C такая зависимость наблюдается только при относительно низких частотах и высоких температурах, у альбумина не наблюдается вовсе. Это значит, что механизмы проводимости в этих веществах существенно различаются. Скорее всего, в EMF при комнатной температуре есть почти свободные заряды (как в теории Друде, о которой мы говорили в самом начале), в альбумине их нет, а цитохром C занимает промежуточное положение.

Эту зависимость можно объяснить на уровне структур каждого из веществ. И цитохром C, и альбумин являются обычными белками. Свободных зарядов в них не очень много (хотя они есть), и теорию Друде к ним применить нельзя. С другой стороны, в молекулах EMF образование свободных зарядов происходит легче, поэтому его проводимость больше похожа на проводимость металлов. Впрочем, еще больше она похожа на проводимость раствора поваренной соли, в котором концентрация свободных ионов тоже велика.

Конечно, в действительности все гораздо сложнее и необходимо учитывать присутствие свободной воды в веществах, а также другие факторы. Например, из-за того, что EMF содержит довольно много свободной воды, при низких температурах (−250 °C) и частотах порядка нескольких сотен гигагерц проводимость EMF начинала расти квадратично. При таких температурах вода замерзает, а при высоких частотах ее диэлектрическими свойствами, обусловленными, например, динамикой дипольных моментов молекул воды, нельзя пренебречь. Есть отклонения от теории Джоншера и у других материалов, однако они не такие сильные.

«В данной работе мы охарактеризовали поведение белков как классических аморфных полупроводников, используя формализм физики конденсированного состояния», — резюмировал Константин Мотовилов, старший научный сотрудник лаборатории терагерцевой спектроскопии МФТИ.

Таким образом, ученые наглядно продемонстрировали, что мощный спектроскопический и методологический арсенал физики конденсированного состояния можно эффективно использовать для исследования фундаментальных явлений, связанных с динамикой носителей заряда в биологических объектах.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.