Gli strumenti della cristallografia, della spettroscopia e della chimica quantistica stanno aiutando i ricercatori nel trovare risposte ai loro quesiti su questo processo chimico.

Dopo mezzo secolo – finalmente! – gli studiosi hanno descritto gli intermedi più difficili da raggiungere e da studiare della reazione motore della fotosintesi clorofilliana, quella che dà energia alle piante, alle alghe e ad alcuni gruppi di batteri. La fase in cui l’acqua viene scissa per generare ossigeno (O₂), attraverso una reazione guidata dalla luce, è un processo fondamentale per la vita sulla Terra. Grazie a quest’ultimo tassello, di un più complesso puzzle, si potranno trovare nuove soluzioni per produrre energia pulita.

Tutto questo è stato possibile grazie alle simulazioni chimiche e ai calcoli dei supercomputer del gruppo di Chimica computazionale del dipartimento di Scienze fisiche e chimiche dell’Università dell’Aquila e al gruppo tedesco della Freie Universität di Berlino, che ha raccolto i dati sperimentali utilizzando la spettroscopia a infrarossi per identificare alcuni punti chiave della reazione.

Cosa si è scoperto di tanto speciale? Potrebbe sembrare cosa di poco conto – non lo è! – ma il gruppo di ricerca italiano ha saputo ricostruire il passaggio nel quale, dall’acqua, si produce una molecola di ossigeno. È il momento iniziale della fotosintesi, quel particolare momento in cui si crea l’energia necessaria perché il processo possa proseguire.

I passaggi fondamentali erano noti da oltre 50 anni ma da dieci si stava lavorando, utilizzando il calcolo ad alte prestazioni, per predire l’evoluzione della reazione chimica in tutti e cinque i passaggi. Il gruppo di ricerca italiano ha dato un volto a tutto questo, immortalando le foto dei “protagonisti”.

L’aspetto più interessante è che la natura ha costruito un enzima grande, complesso e ottimizzato per portare a termine una reazione estremamente impegnativa dal punto di vista energetico. Alla fine, quello che permette il successo della reazione è il posizionamento corretto dei protoni, semplici ioni dell’atomo di idrogeno, all’interno dell’enzima stesso.

La comprensione dei meccanismi molecolari alla base della fotosintesi clorofilliana potrà – con buona probabilità – ispirare nuove tecnologie utili alla conversione dell’energia solare in carburanti green, con un impatto ambientale potenzialmente prossimo allo zero.

Si alzano così i riflettori sulla cosiddetta fotosintesi artificiale, utilizzata, secondo gli esperti, per identificare i materiali di sintesi che mimano il processo della fotosintesi clorofilliana per produrre energia. L’obiettivo è quello di ispirarsi alla natura per trovare nuovi materiali, molto comuni – come manganese, ferro e nichel – e a basso costo, in grado di assorbire la luce e generare elettricità.

Fonti:

Greife, P., Schönborn, M., Capone, M. et al. The electron–proton bottleneck of photosynthetic oxygen evolution. Nature 617, 623–628 (2023)

Bhowmick, A., Hussein, R., Bogacz, I. et al. Structural evidence for intermediates during O2 formation in photosystem II. Nature 617, 629–636 (2023)