研究细菌细胞色素导线OmcS中的电子导电机制

《The Journal of Physical Chemistry B》：Investigating Electron Conductivity Regimes in the Bacterial Cytochrome Wire OmcS

微生物细胞色素线导电机制研究中，通过改进量子密度泛函理论模型，揭示了动态无序对电荷载体能级和耦合能的影响，证实局部电环境瞬态波动可解除能级纠缠并增强长程导电性，弥合了理论与实验的十万量级差距。

　　

厌氧细菌Geobacter sulfurreducens能产生细胞外的、具有导电性的细胞色素聚合物线，这种聚合物线在微米级别上仍能保持导电性。来自冷冻电子显微镜数据的结构模型显示，OmcS聚合物线沿着蛋白质轴线形成了一条血红素（heme）的线性链，这被认为是其导电性的结构基础。然而，这种血红素排列如何支持长距离电子传导的机制至今仍不清楚。现有的计算模型使用静态的血红素氧化还原势和耦合能来解释实验结果，但预测的导电性比实际测量值低1万到10万倍。在这项研究中，我们探讨了动态无序如何影响这些细胞色素聚合物线中的电荷载体位点能量、血红素间的耦合以及长距离电子传导性。我们提出了一种直接从Kohn–Sham密度泛函理论中提取电荷载体位点信息的方法，无需使用投影方案，并证明位点能量和耦合能对血红素间的几何结构及周围静电环境的变化非常敏感。与将动态无序视为热平均量的模型不同，我们的量子电荷载体模型通过去相干修正来考虑动态无序的影响，从而得到的扩散系数更接近实验结果，并与其他基于有机材料的导电材料相当。基于这些模拟，我们提出局部静电环境的瞬时波动可以暂时消除能量简并性并使电荷载体发生离域。这些研究揭示了如何通过考虑与环境相关的动态波动来解释微生物细胞色素聚合物线中理论与实验之间的差异，并为基于血红素的导电材料的设计提供了指导原则。