Una delle domande più affascinanti della biologia moderna riguarda i primissimi istanti della fotosintesi, quel processo che permette a piante, alghe e alcuni batteri di catturare la luce del Sole e trasformarla in energia.
Nonostante sia alla base della vita come la conosciamo, un dettaglio di questo meccanismo è rimasto inspiegato per anni: perché gli elettroni, invece di seguire due possibili percorsi simmetrici, ne scelgono sempre e solo uno?
A dare finalmente una risposta sono stati i ricercatori dell’Indian Institute of Science (IISc) e del California Institute of Technology (Caltech), con uno studio pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Un sistema simmetrico, ma che non si comporta in modo simmetrico
La fotosintesi inizia con un complesso molecolare chiamato Fotosistema II (PSII). Qui la luce viene catturata, l’acqua viene “spaccata e l’ossigeno rilasciato nell’atmosfera e a livello strutturale, il PSII presenta due rami quasi identici, chiamati D1 e D2, ciascuno con clorofille, feofitine e molecole di plastochinone pronte a ricevere elettroni.
In teoria, gli elettroni dovrebbero avere due “corsie disponibili. In pratica, da anni gli esperimenti mostrano che passano solo attraverso il ramo D1. Una scelta unidirezionale che ha lasciato perplessi i biologi molecolari.
Perché gli elettroni ignorano il ramo D2?
Per risolvere il mistero, i ricercatori hanno combinato simulazioni di dinamica molecolare, analisi quantistiche e la teoria di Marcus, usata per descrivere il trasferimento elettronico nei sistemi complessi.
Il risultato? Il ramo D2 presenta una barriera energetica doppia rispetto a D1; tradotto: far passare un elettrone da feofitina a plastochinone su D2 richiede molta più energia, quasi come chiedergli di scalare una montagna invece di attraversare una strada pianeggiante.
In più, le simulazioni mostrano che la resistenza elettronica del ramo D2 è cento volte superiore rispetto a D1. Non si tratta quindi di una “preferenza, ma di una vera e propria impossibilità energetica.
Un dettaglio invisibile a occhio nudo, ma fondamentale per l’energia del pianeta
La spiegazione va ricercata anche nel microambiente proteico che circonda i pigmenti: la clorofilla nel ramo D1 ha uno stato di eccitazione energetica più favorevole, il che la rende più efficiente nell’attrarre elettroni rispetto alla sua gemella nel ramo D2.
Secondo i ricercatori, modificare o scambiare pigmenti come clorofilla e feofitina nel ramo D2 potrebbe forzare il sistema a utilizzare entrambe le vie, aprendo scenari molto interessanti per la creazione di foglie artificiali o carburanti solari ad alta efficienza.
Verso la fotosintesi artificiale
“La nostra ricerca è un passo decisivo verso la comprensione della fotosintesi naturale“, afferma Prabal K. Maiti dell’IISc. “Questi risultati potrebbero guidare la progettazione di sistemi artificiali in grado di trasformare l’energia solare in combustibili chimici in modo efficiente e sostenibile.”
Anche Bill Goddard del Caltech sottolinea l’importanza della scoperta: “è una splendida combinazione di teoria e simulazione che risolve un enigma storico, ma apre anche nuove domande affascinanti.“
In sintesi
Capire perché la Natura ha scelto una sola via per il trasferimento degli elettroni potrebbe essere la chiave per migliorare la tecnologia solare del futuro, superando i limiti attuali con un approccio biologicamente ispirato.
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