Tecnologia

La ricerca, coordinata dalla Sapienza, ha descritto alcuni dei passi fondamentali di questo meccanismo della natura, evidenziando come elettroni e protoni si muovano in maniera sequenziale e coordinata

Una scoperta che “aggiunge un prezioso tassello nella comprensione dei meccanismi con cui la natura si è evoluta per catturare e accumulare l'energia del sole”, perché “capire come funziona la fotosintesi naturale è di fondamentale importanza per cercare di imitarla, attraverso lo sviluppo di nuove tecnologie in grado di produrre energie rinnovabili”. Così Leonardo Guidoni, responsabile scientifico del progetto europeo MultiscaleChemBio, coordinato dalla Sapienza, a cui si deve un'importante scoperta che potrebbe aprire nuovi scenari nella produzione di energia pulita. La ricerca coordinata dalla Sapienza ha infatti descritto alcuni dei passi fondamentali della fotosintesi clorofilliana, evidenziando come elettroni e protoni si muovano in maniera sequenziale e coordinata.
Uno studio che permetterà di sviluppare nuove tecnologie in grado di produrre energie rinnovabili. 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 e 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.
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 arriva dal team di ricercatori italiani guidato da Leonardo Guidoni, il cui studio è stato pubblicato sulla rivista statunitense "Pnas". Il gruppo 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.
“Ricalcando il processo fotosintetico presente in natura - spiega Guidoni - 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 a 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, sono stati presentati da Leonardo Guidoni nel congresso sul “Confronto tra approcci teorici e sperimentali alla catalisi enzimatica per la produzione di energia”, all'University College di Londra. Nell'ambito del programma “Ideas” del Consiglio Europeo delle Ricerche (Erc) il progetto quinquennale MultiscaleChemBio è stato finanziato per il quinquennio 2009-2015. Il progetto, del quale è responsabile Leonardo Guidoni, riguarda lo sviluppo di metodi multiscala per la chimica computazionale e la loro applicazione allo studio di sistemi di interesse biofisico, chimico e biochimico. Utilizzando metodi di Meccanica Quantistica e l'utilizzo di supercalcolatori, sono studiate le complesse proteine che sono coinvolte nella fotosintesi delle piante. Le stesse tecniche computazionali sono anche applicate per studiare il funzionamento di materiali inorganici per la fotosintesi artificiale: le cosiddette “foglie artificiali”.