La fotosintesi naturale in laboratorio

Complesso proteico del  Fotosistema 2 (foto 2) (1)
Complesso proteico del Fotosistema 2 utilizzando ioni manganese scinde le molecole d’acqua nelle loro componenti (ossigeno, protoni ed elettroni) per immagazzinare l’energia solare nella fotosintesi clorofilliana

Una ricerca coordinata dalla Sapienza ha descritto alcuni dei passi fondamentali della fotosintesi clorofilliana, evidenziando come elettroni e protoni si muovano in maniera sequenziale e coordinata. Lo studio che permetterà di sviluppare nuove tecnologie in grado di produrre energie rinnovabili, è pubblicato su PNAS Da milioni di anni piante e batteri, attraverso il processo di fotosintesi clorofilliana, utilizzano la luce solare per immagazzinare l’energia necessaria per svolgere le loro funzioni vitali. Il primo passo di tale processo consiste nella scissione dell’acqua nelle sue componenti: ossigeno da una parte e idrogeno (o meglio protoni ed elettroni) dall’altra. Questo meccanismo di elettrolisi avviene nel cosiddetto Fotosistema 2, un complicato aggregato di proteine, clorofille ed altre molecole presente nelle foglie. La luce solare viene assorbita direttamente generando ossigeno ed una “corrente” di protoni ed elettroni in seguito utilizzata per la sintesi di molecole altamente energetiche come l’ATP.

Il movimento di elettroni e protoni nel meccanismo di elettrolisi dell'acqua della fotosintesi segue un preciso meccanismo che, in un particolare stato del ciclo catalitico, è stato studiato con simulazioni molecolari. Tale movimento si può seguire da sinistra verso destra nell'immagine. Il movimento di protoni descritto dalle frecce si accoppia al trasferimento di un elettrone dagli ioni manganese (in basso nelle figure) ad un amino acido (la tirosina, in alto).
Il movimento di elettroni e protoni nel meccanismo di elettrolisi dell’acqua della fotosintesi segue un preciso meccanismo che, in un particolare stato del ciclo catalitico, è stato studiato con simulazioni molecolari. Tale movimento si può seguire da sinistra verso destra nell’immagine. Il movimento di protoni descritto dalle frecce si accoppia al trasferimento di un elettrone dagli ioni manganese (in basso nelle figure) ad un amino acido (la tirosina, in alto).

Nonostante alcuni dettagli del funzionamento di questo complesso processo biologico siano ormai stati rivelati, l’esatto meccanismo di tale processo è tuttora avvolto nel mistero. Un grosso aiuto alla comprensione di questo intricato congegno è arrivato da un team di ricercatori italiani, il cui studio è stato pubblicato di recente sulla prestigiosa rivista statunitense PNAS. Il gruppo, guidato da Leonardo Guidoni, responsabile scientifico del progetto europeo (ERC) MultiscaleChemBio, coordinato dalla Sapienza, ha rivelato come gli elettroni e i protoni, prodotti dalla reazione di elettrolisi dell’acqua innescata dalla luce solare, si muovano in maniera sequenziale e coordinata. Le simulazioni al calcolatore hanno mostrato come il movimento degli elettroni, di carica negativa, sia strettamente correlato a quello dei protoni, più pesanti e di carica positiva. In alcuni precisi istanti, entrambe le particelle si muovono in maniera coordinata, come se eseguissero un ballo di coppia. Lo studio, che ha connotazioni prettamente multidisciplinari tra fisica, chimica, e biologia, è stato condotto attraverso simulazioni di meccanica quantistica eseguite su supercalcolatori europei. “La scoperta – afferma Leonardo Guidoni- aggiunge un prezioso tassello nella comprensione dei meccanismi con cui la Natura si è evoluta per catturare ed accumulare l’energia del sole. Capire come funziona la fotosintesi naturale è anche di fondamentale importanza per cercare di imitarla, attraverso lo sviluppo di nuove tecnologie in grado di produrre energie rinnovabili. In particolare, ricalcando il processo fotosintetico presente in natura sono stati sviluppati, in numerosi laboratori sperimentali americani ed europei, prototipi della cosiddetta foglia artificiale, ossia un dispositivo composto di materiali sostenibili in grado di produrre idrogeno dall’acqua utilizzando la luce solare. Nel prossimo ventennio, il successo delle ricerche in questo campo potrebbe dare una forte spinta verso l’economia ad idrogeno, dove il combustibile, anziché essere ricavato da fonti fossili come oggi, verrà prodotto direttamente dal sole in maniera sostenibile, economica e distribuita su tutto il territorio.” I risultati della ricerca scientifica, condotta con Daniele Narzi e Daniele Bovi, saranno presentati da Leonardo Guidoni nel congresso sul “Confronto tra approcci teorici e sperimentali alla catalisi enzimatica per la produzione di energia”, che si terrà all’University College di Londra dal 4 al 6 giugno.   Università La Sapienza di Roma

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