Uno studio internazionale pubblicato sulla rivista Nature Communications, con il coinvolgimento dell’Istituto Nanoscienze del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Modena insieme alla Princeton University, all’Università dell’Aquila e al Max Planck Institute, ha proposto un nuovo modello per spiegare la separazione primaria di carica, ovvero il processo fondamentale che avvia la conversione dell’energia luminosa in energia chimica nella fotosintesi.
La reazione avviene all’interno del complesso molecolare noto come Fotosistema II che, assorbendo un fotone, trasferisce un elettrone tra molecole e innesca la catena di reazioni biologiche per la produzione di energia. Attraverso l’uso integrato di simulazioni di dinamica molecolare, calcoli di chimica quantistica e modellizzazione cinetica, i ricercatori hanno affrontato il dibattito scientifico legato alle differenti velocità della reazione, che varia da poche centinaia di femtosecondi fino ad alcuni picosecondi. Mentre l’ipotesi teorica prevalente attribuiva tale variabilità temporale all’esistenza di molteplici percorsi reattivi paralleli seguiti dall’elettrone, i nuovi dati indicano che la traiettoria fondamentale è unica, mentre a mutare continuamente sono le condizioni dell’ambiente molecolare circostante.
Laura Zanetti-Polzi del Cnr Nano chiarisce la dinamica: “In altre parole, si riteneva che l’elettrone potesse seguire vie differenti all’interno del Fotosistema II, ciascuna caratterizzata da tempi propri. Possiamo immaginare il trasferimento dell’elettrone come l’attraversamento di un bosco per andare da un rifugio a un altro; per anni si è pensato che esistessero sentieri diversi e di lunghezza diversa. I nostri risultati suggeriscono invece che il sentiero sia sostanzialmente uno solo: il tempo necessario a percorrerlo dipende dalle ‘condizioni del terreno’. Fuori di metafora, il percorso reattivo resta lo stesso, ma cambiano continuamente le condizioni in cui viene percorso”. Le simulazioni mostrano come le continue fluttuazioni della struttura proteica del Fotosistema II e la riorganizzazione molecolare dell’acqua alterino localmente i parametri chimico-fisici, determinando variazioni nella velocità del trasferimento elettronico.
Matteo Capone del Cnr Nano sottolinea: “Le continue fluttuazioni del complesso Fotosistema II e la riorganizzazione delle molecole d’acqua modificano localmente le condizioni della reazione, rendendo il trasferimento dell’elettrone più rapido o più lento e spiegando così le diverse scale temporali osservate negli esperimenti”, conclude Capone,”in prospettiva, queste conoscenze potranno ispirare lo sviluppo di sistemi biomimetici per la conversione dell’energia solare, nei quali anche l’ambiente circostante partecipi attivamente al controllo delle reazioni, come avviene nei sistemi biologici”.
Immagine di cover: separazione di carica indotta dalla luce all’interno del Fotosistema II, il primo evento della conversione dell’energia luminosa in energia chimica nella fotosintesi
