Scoperti i meccanismi molecolari che regolano l'assorbimento dell'energia solare nelle piante

E’ possibile produrre energia utilizzando la luce solare assorbita in eccesso da alghe e piante, lo dimostra uno studio pubblicato su Science che spiega il meccanismo molecolare
regolatore dell’assorbimento dell’energia solare nelle piante, grazie all’individuazione dei geni che ne determinano il processo.

La ricerca è frutto della collaborazione che per due anni ha visto i ricercatori del Dipartimento Scientifico e Tecnologico dell’Università di Verona e
dell’Università di Berkeley in California lavorare insieme per potenziare, attraverso tecniche di biogenetica, l’efficienza con cui piante ed alghe raccolgono l’energia,
aprendo orizzonti interessanti alla produzione di bio-combustibili.

I gruppi di ricerca sono stati diretti a Verona dal prof. Roberto Bassi, docente di Fisiologia vegetale specializzato in ingegneria proteica e dal prof. Graham
Fleming a Berkeley, pioniere nella misura di eventi ultrarapidi con il laser. Il gruppo veronese, in particolare, ha identificato una famiglia di geni che, quando inattivati, producono
piante incapaci di trasformare in calore la luce assorbita. Matteo Ballottari, neo-dottorato in biotecnologie industriali e ambientali, è riuscito a produrre in provetta
le proteine codificate da questi geni e a dimostrarne l’attività con misure effettuate a Berkeley.

Allo stato normale, infatti, queste proteine fotosintetiche sono in grado di «misurare» la luce cui sono esposte e di attivare un meccanismo dissipativo di difesa trasformando
l’energia in eccesso in calore. Nei foto-bioreattori, sistemi colturali che utilizzano la radiazione solare per la crescita di microrganismi fotosintetici, le alghe ad esempio vengono cresciute in massa ma dissipano in calore la maggior parte dell’energia solare
assorbita.

L’importanza della scoperta consiste nell’aver identificato i geni responsabili di questo meccanismo dissipativo di difesa, su cui intervenire con tecniche di genetica per trasformare in
energia chimica e quindi biomassa il calore altrimenti disperso.

«Agendo sulla sensibilità dell’ «interruttore» che governa questo processo – spiega il prof. Bassi – si potrà regolare l’efficienza della
trasformazione della luce solare da parte degli organismi fotosintetici ed adattarle alle esigenze della crescita nei fotobioreattori per produrre biocombustibili. Già nel 2005 nel
nostro laboratorio Luca Dall’Osto, oggi ricercatore, ha dimostrato che l’inattivazione dei meccanismi regolativi portava ad una maggiore crescita delle piante a bassa luce».

La scoperta è di grande attualità dato che petrolio e carbone, ormai in esaurimento, derivano rispettivamente da alghe e piante cresciute tra i 200 e i 400 milioni di anni fa e
conservate nel suolo in mancanza di ossigeno. Di recente si sono moltiplicate le ricerche che mirano a produrre biocombustibili da alghe e piante, ma le rese sono ancora basse proprio a causa
del meccanismo dissipativo messo in atto dagli organismi fotosintetici.

Ai fini applicativi, un ulteriore aspetto interessante consiste nell’utilizzo del principio scoperto per la produzione di pannelli solari più efficienti, composti da celle prodotte con
coloranti di origine biologica.

Da tempo i fisici cercano di riprodurre la fotosintesi in forma semplificata usando materiale non biologico: si tratta dei cosiddetti pannelli solari a coloranti, che danno buoni
risultati ma hanno una «durata» limitata. «I coloranti esposti al sole scolorano – continua il prof. Bassi – come succede ai vecchi segnali stradali che diventano illeggibili
col tempo. Ciò è dovuto all’incapacità di dissipare in calore l’energia assorbita in eccesso, che non riesce ad essere trasformata in corrente elettrica e va, invece, a
reagire con l’ossigeno creando molecole dannose che distruggono i coloranti stessi». Per questo i chimici sono già al lavoro per modificare i coloranti in uso nei pannelli solari e
ricreare artificialmente l’interruttore molecolare delle piante. Con la prospettiva di ottenere risultati importanti in termini di maggiore durata dei pannelli e costi ridotti.

Così le alghe si proteggono dalla troppa luce: dissipando calore.
Il processo molecolare che catalizza il meccanismo dissipativo di difesa all’interno delle alghe ha resistito per quasi 40 anni nonostante sia stato studiato da molti laboratori.

Per chiarire il meccanismo d’azione, una di queste proteine è stata prodotta in molte versioni mutate in cui veniva cambiato uno solo dei 350 aminoacidi che la compongono. Tre dei quali
si sono dimostrati indispensabili alla funzione durante le analisi spettroscopiche svolte a Berkeley.

Indagando sulla funzione di questi aminoacidi i ricercatori veronesi hanno scoperto che due aminoacidi legano ciascuno una molecola di clorofilla formando una coppia ravvicinata. Queste
molecole funzionano come i due rami di un diapason ed entrano in risonanza quando l’energia della luce che assorbono raggiunge una certa intensità. A questo punto entra in azione il
terzo componente: una molecola di carotenoide, molto simile alla sostanza di colore arancione delle carote, la quale scambia momentaneamente un elettrone con la clorofilla più vicina e
libera calore quando questo torna indietro, fenomeno noto come ricombinazione di carica.

Un processo rapidissimo che avviene in pochi picosecondi, millesimi di miliardesimi di secondo, e che viene ripetuto con una frequenza proporzionale all’intensità della luce. Le molecole
fotosintetiche sono in grado dunque di misurare la luce cui sono esposte e di attivare un interruttore di «protezione» quando questa è in eccesso.