Uno studio internazionale, al quale ha partecipato il Cnr Nano di Modena, propone una nuova interpretazione della separazione primaria di carica, il processo che avvia la conversione dell’energia luminosa in energia chimica.
La ricerca, pubblicata su Nature Communications, potrebbe contribuire allo sviluppo di tecnologie biomimetiche per l’energia solare.
(Nella foto: Separazione di carica indotta dalla luce all’interno del Fotosistema II, il primo evento della conversione dell’energia luminosa in energia chimica nella fotosintesi)
Un nuovo modello per spiegare l’inizio della fotosintesi
Il primo passaggio della fotosintesi potrebbe avvenire attraverso un meccanismo diverso da quello ipotizzato finora. A suggerirlo è uno studio internazionale pubblicato sulla rivista scientifica Nature Communications, realizzato con il contributo dell’Istituto Nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche di Modena, della Princeton University, dell’Università dell’Aquila e del Max Planck Institute.
Al centro della ricerca si trova la cosiddetta separazione primaria di carica, uno degli eventi più rapidi ed efficienti osservabili nei sistemi biologici. Questo processo permette agli organismi fotosintetici di iniziare a trasformare l’energia trasportata dalla luce solare in energia chimica utilizzabile.
La sua dinamica è studiata da decenni, ma alcuni aspetti sono rimasti controversi. In particolare, gli esperimenti hanno rilevato velocità differenti nel trasferimento degli elettroni, alimentando l’ipotesi che all’interno del sistema fotosintetico potessero esistere diversi percorsi di reazione. Il nuovo studio propone invece uno scenario differente: il percorso principale sarebbe sostanzialmente unico, mentre a cambiare sarebbero le condizioni molecolari nelle quali il trasferimento avviene.
Il ruolo del Fotosistema II nella cattura della luce
La fotosintesi è il processo attraverso il quale piante, alghe e alcuni microrganismi utilizzano la luce per produrre energia chimica. Uno dei suoi protagonisti fondamentali è il Fotosistema II, un grande complesso formato da proteine, pigmenti e altre molecole inserite nelle membrane fotosintetiche.
Quando il Fotosistema II assorbe un fotone, cioè una particella di luce, l’energia ricevuta provoca il trasferimento di un elettrone da una molecola donatrice a una molecola accettrice all’interno del centro di reazione.
È questo l’evento chiamato separazione primaria di carica. La carica elettrica viene distribuita tra molecole differenti, creando uno stato energetico che alimenta le reazioni successive della fotosintesi. Da questo primo passaggio prende avvio una complessa catena di trasformazioni che porterà alla produzione di energia chimica e, indirettamente, al sostentamento di gran parte della vita sulla Terra.
Perché la velocità del trasferimento elettronico cambia
La separazione primaria di carica avviene in tempi estremamente brevi. Le misure sperimentali indicano durate comprese tra alcune centinaia di femtosecondi e diversi picosecondi. Un femtosecondo corrisponde a un milionesimo di miliardesimo di secondo, mentre un picosecondo equivale a un millesimo di miliardesimo di secondo.
La variabilità osservata ha rappresentato a lungo un problema interpretativo. Il modello più diffuso sosteneva che l’elettrone potesse seguire più percorsi all’interno del Fotosistema II, ognuno caratterizzato da una propria durata.
La ricerca alla quale hanno partecipato Matteo Capone e Laura Zanetti-Polzi del Cnr Nano di Modena mette in discussione questa spiegazione. Secondo le simulazioni, il trasferimento elettronico seguirebbe prevalentemente un solo percorso. Le differenze temporali dipenderebbero invece dalla continua riorganizzazione dell’ambiente molecolare circostante.
Laura Zanetti-Polzi paragona il fenomeno all’attraversamento di un bosco per raggiungere un rifugio. Finora si pensava che esistessero più sentieri, differenti per lunghezza e difficoltà. I nuovi risultati suggeriscono, invece, che il sentiero sia essenzialmente lo stesso, ma che il tempo impiegato per percorrerlo cambi in base alle condizioni del terreno.
Un ambiente molecolare in continuo movimento
Per ricostruire il processo, i ricercatori hanno adottato un approccio completamente computazionale, integrando simulazioni di dinamica molecolare, calcoli di chimica quantistica e modelli cinetici.
Questa combinazione ha permesso di osservare virtualmente il comportamento del Fotosistema II su scala atomica e molecolare. I risultati mostrano che il complesso fotosintetico non costituisce una struttura rigida, ma un ambiente dinamico nel quale proteine, pigmenti e molecole d’acqua cambiano continuamente posizione e configurazione.
Le fluttuazioni del Fotosistema II e la riorganizzazione delle molecole d’acqua modificano localmente le condizioni energetiche della reazione. In alcuni momenti il trasferimento dell’elettrone risulta favorito e avviene più rapidamente; in altri, le condizioni molecolari lo rallentano.
La variabilità dei tempi osservata negli esperimenti non deriverebbe quindi dalla presenza di percorsi alternativi, ma dalle diverse configurazioni assunte nel tempo dallo stesso ambiente molecolare.
Le molecole d’acqua partecipano al controllo della reazione
Uno degli aspetti più interessanti dello studio riguarda il ruolo dell’acqua. Le molecole presenti intorno al centro di reazione non rappresenterebbero un semplice elemento passivo, ma contribuirebbero a regolare il trasferimento elettronico.
Modificando la disposizione delle cariche e le interazioni elettrostatiche locali, l’acqua può rendere il passaggio dell’elettrone energeticamente più o meno favorevole. L’efficienza della fotosintesi dipenderebbe quindi non soltanto dalle molecole direttamente coinvolte nella reazione, ma anche dalla capacità dell’ambiente circostante di riorganizzarsi.
Questa interpretazione restituisce un’immagine più dinamica della fotosintesi: il sistema biologico non si limita a fornire una sequenza di molecole lungo la quale far viaggiare l’elettrone, ma modifica continuamente le condizioni necessarie affinché il trasferimento avvenga.
Nuove prospettive per l’energia solare biomimetica
Comprendere come le piante catturano la luce è importante non soltanto per la biologia, ma anche per la ricerca sulle energie rinnovabili. I sistemi fotosintetici naturali riescono infatti a controllare trasferimenti di energia e di carica con un livello di precisione che le tecnologie artificiali cercano da tempo di riprodurre.
Le conoscenze emerse dallo studio potrebbero ispirare la progettazione di nuovi dispositivi biomimetici per la conversione dell’energia solare. In questi sistemi, l’ambiente circostante non sarebbe considerato un semplice supporto, ma diventerebbe una componente attiva capace di regolare le reazioni e migliorare il trasferimento degli elettroni.
Materiali flessibili, solventi, strutture molecolari dinamiche e reti di interazioni potrebbero essere progettati per riprodurre alcuni dei meccanismi utilizzati dalla natura. L’obiettivo, in prospettiva, è sviluppare tecnologie capaci di convertire e immagazzinare l’energia solare in modo sempre più efficiente.
Lo studio chiarisce così uno dei passaggi fondamentali della fotosintesi e mostra come l’efficienza naturale non dipenda esclusivamente dalla struttura delle molecole coinvolte. A svolgere un ruolo decisivo è anche il loro continuo movimento e la capacità dell’intero ambiente molecolare di adattarsi alla reazione.
