“Lombardia è ricerca” a una scienziata del Cnr

Ricavare energia e composti chimici da tre semplici ingredienti, acqua, anidride carbonica e luce del Sole, senza l'uso di combustibili fossili. Come? Riproducendo i processi della fotosintesi in laboratorio, mimando i meccanismi attraverso i quali piante, alghe e batteri sono in grado di sintetizzare composti complessi come zuccheri e carboidrati a partire da semplici molecole, sfruttando la radiazione solare.

Proprio agli scienziati che “imitano” le piante è stato conferito il premio “Lombardia è ricerca 2020-2021”, definito il Nobel lombardo, quest'anno rivolto ai contributi più importanti della ricerca sulla sostenibilità ambientale, e tra gli studiosi che hanno ottenuto il riconoscimento c'è anche Marcella Bonchio, responsabile della sezione di Padova dell'Istituto per la tecnologia delle membrane (Itm) del Cnr e docente del Dipartimento di scienze chimiche dell'Università della città veneta. La ricercatrice lo ha ricevuto lo scorso 8 novembre assieme a Markus Antonietti e Pierre Joliot. “Il premio è dedicato al processo vitale della fotosintesi, che permette di immagazzinare l'energia rinnovabile della luce solare sotto forma di energia chimica in molecole organiche e biologiche, fornendo nutrimento e combustibili indispensabili al nostro sviluppo”, motiva la giuria che ha deciso di premiare i tre scienziati selezionati tra una rosa di sessantadue candidati provenienti da Università e Istituti di ricerca internazionali.

Gli studi sui sistemi fotosintetici artificiali rappresentano un passo fondamentale verso la produzione di energia pulita: chi lavora in questo campo mira alla conversione diretta dell'energia solare in energia chimica, permettendo cioè di immagazzinare l'energia solare con altissima densità in nuovi legami chimici. Un obiettivo sicuramente ambizioso, ma già chiaro agli inizi del secolo scorso, quando il chimico Giacomo Ciamician, padre della fotochimica moderna, nel suo intervento “The photochemistry of the future”  al Congresso internazionale di chimica applicata del 1912, anticipava di cento e oltre anni i concetti di “sostenibilità” e di “economia circolare”, spiegando come fosse possibile e auspicabile sfruttare la luce del sole con l'ausilio della fotochimica: “il problema fondamentale dal punto di vista tecnico è come immagazzinare l'energia solare attraverso opportune reazioni fotochimiche. Per fare questo sarebbe sufficiente imitare i processi fotosintetici delle piante, che trasformano la CO2 atmosferica in carboidrati, liberando ossigeno. Invertono dunque il normale processo di combustione”.

Il gruppo di ricerca di Marcella Bonchio si è avvicinato alla “visione” di Ciamician riuscendo a riprodurre in laboratorio un “quantasoma” artificiale, che integra un sistema di antenne e un centro catalitico in grado di utilizzare la luce del sole per scindere la molecola di acqua liberando ossigeno, lo stesso processo che in natura viene realizzato dal fotosistema II, e che è il cuore della fotosintesi naturale. “La fotosintesi naturale è un processo molto difficile e richiede una sinergia di azione tra diversi componenti che hanno ruoli diversi nell'interazione con la luce e nella conversione dell'energia solare in energia chimica. Alla base degli studi sulla fotosintesi artificiale c'è quindi una profonda conoscenza dei sistemi che lavorano nella foglia verde e negli organismi fotosintetici naturali”, spiega Bonchio.

Una ricerca fondata su alcuni studi pioneristici come quelli di Emerson & Arnold (The photochemical reaction in photosynthesis, J. Gen. Physiol, 1932) e Park & Biggins (Quantasome: size and composition, Science, 1964), che hanno identificato a livello morfologico e strutturale quali sono le caratteristiche essenziali dei fotosistemi localizzati nei cloroplasti responsabili per la conversione dei quanti di luce della radiazione solare e che per questo motivo rispondono alla definizione di “quantasoma”. “I fotosistemi II e I (PSII and I) presenti nei cloroplasti sono dei quantasomi, ovvero integrano dei sistemi antenna, in grado di catturare la radiazione solare con centri di reazione e catalizzatori dove avviene la trasformazione dei legami chimici e dove è possibile scindere la molecola di acqua nei suoi componenti ossigeno e idrogeno”, continua la ricercatrice. “I due sistemi lavorano in tandem e sono specializzati nella foto-ossidazione e nella foto riduzione, rispettivamente. In particolare, il PS II è in grado di ricavare 4 elettroni e 4 protoni da una molecola di acqua liberando una molecola di ossigeno, processo definito come 'ossidazione dell'acqua fotoassistita'”.

L'ossidazione dell'acqua è alla base della fotosintesi perché la pianta utilizza i protoni e gli elettroni per trasformare l'anidride carbonica negli zuccheri. Le componenti proteiche del sistema vengono degradate durante la fotosintesi, ma la pianta è in grado di ricostruirle perfettamente nel giro di 30 minuti-qualche ora. “Questo processo di riparazione richiede un costo di energia elevatissimo, che non è possibile realizzare efficacemente in ambiente artificiale. Bisogna dunque utilizzare componenti e sintetizzare materiali e complessi molecolari robusti e stabili durante il loro funzionamento”, conclude Bonchio. “Nel nostro lavoro 'Hierarchical organization of perylene bisimides and polyoxometalates for photo-assisted water oxidation' pubblicato su Nature nel 2019, abbiamo sintetizzato un'architettura 'modulare', in grado di auto-organizzarsi in un sistema supramolecolare, le cui componenti possono lavorare sinergicamente, in maniera simile a quella del fotosistema II presente in natura”. La relativa semplicità della chimica di questo sistema e l'aver individuato e riprodotto dei quantasomi “sintetici” ha aperto le porte alla progettazione di sistemi fotosintetici più efficienti, rendendo la visione di Ciamician sempre più verosimile.

Fonte: Istituto per la tecnologia delle membrane , email marcella.bonchio@unipd.it -