Riprodurre sistemi fotosintetici artificiali grazie ai batteri “verdi”

Un team internazionale di scienziati ha determinato la struttura delle molecole dei batteri della clorofilla che sono responsabili della raccolta di energia luminosa. Il risultato potrebbe essere utilizzato per costruire sistemi artificiali fotosintetici, come quelle che convertono l’energia solare in energia elettrica. La ricerca è stata pubblicata dettagliatamente nel numero uscito ieri di Proceedings of the National Academy of Sciences.

Gli scienziati hanno scoperto che le clorofille sono altamente efficaci al momento della raccolta di energia luminosa.

Abbiamo riscontrato che l’orientamento delle molecole dei batteri della clorofilla è estremamente efficace al momento della raccolta luce

ha spiegato Donald Bryant, professore di biotecnologia alla Penn State University e uno dei leader della squadra di ricercatori. Secondo Bryant, i batteri sono un gruppo di organismi che vive in genere in ambienti con luce molto bassa. Essi contengono strutture chiamate clorosomi, che contengono fino a 250.000 clorofille.

La capacità di catturare la luce e consegnare l’energia rapidamente è essenziale per questi batteri, alcuni dei quali vedono solo pochi fotoni di luce per clorofilla al giorno.

Siccome sono stati così difficili da studiare, i clorosomi nei batteri sono l’ultima classe complessa di luce raccolta strutturalmente ad essere individuata dagli scienziati.


Il team ha usato le tecniche della genetica per creare un batterio mutante con una struttura interna più regolare, la Crio-microscopia elettronica per identificare i maggiori vincoli per la distanza tra clorosomi, la risonanza magnetica nucleare (NMR) spettroscopica per determinare la struttura delle molecole del clorosoma che compongono la clorofilla, e la modellazione per riunire tutti i pezzi e creare un quadro definitivo del clorosoma.

Il team ha creato un batterio mutante per determinare l’evoluzione del batterio della clorofilla. Ha rilevato anche che la più evoluta specie di batteri cresce più rapidamente a tutte le intensità di luce della forma mutante.

Isolando il mutante, le immagini hanno rivelato che le molecole di clorofilla all’interno dei clorosomi prendono una forma di nanotubi.

Sono come le bambole russe, con un tubo di raccordo concentrico all’interno l’uno dell’altro

ha detto Bryant. Guardando all’interno, i ricercatori hanno scoperto che i batteri della clorofilla sono disposti in dimeri, composti da due molecole identiche più semplici, con delle lunghe code idrorepellenti. A prima vista sembra che i batteri siano riusciti ad evolversi verso un migliore sistema di raccolta di luce aumentando il disordine nella struttura dei clorosomi. Se tutti i batteri sono disposti in un modo identico nei clorosomi, l’energia del fotone, una volta che viene assorbita, può girovagare in tutta la clorofilla. In altre parole, l’energia in un singolo fotone visita un numero minore di clorofilla, che è un vantaggio per l’organismo, perché l’energia può arrivare al punto in cui ha bisogno più velocemente (tutto nell’ordine di nanosecondi).

Secondo Bryant i risultati ci raccontano che forse un giorno potrà essere utilizzato questo sistema per costruire sistemi artificiali fotosintetici che convertono l’energia solare in energia elettrica.

Le interazioni che portano alla assemblamento della clorofilla in clorosomi è piuttosto semplice, in modo che siano buoni modelli per i sistemi artificiali. Si possono fare queste strutture soltanto con le giuste condizioni. Condizioni biologiche che finora nessuno aveva capito, e che noi ci siamo avvicinati nel comprenderle.

I clorosomi sono gli ultimi complessi fotosintetici a essere stati caratterizzati in dettaglio proprio per la difficoltà che presentano gli studi con questo particolare oggetto. I ricercatori tipicamente caratterizzano le strutture molecolari utilizzando la cristallografia a raggi X; nel caso dei clorosomi, tuttavia, tale tecnica si rivela inutile poiché funziona solo per molecole omogenee per dimensioni, forma e struttura.
Fonte: Sciencedaily