L’innovativo trucco della fotosintesi apre la strada a scoperte di energia rinnovabile

I ricercatori hanno “hackerato” le prime fasi di[{” attribute=””>photosynthesis, the natural machine that powers the vast majority of life on Earth, and discovered new ways to extract energy from the process, a finding that could lead to new ways of generating clean fuel and renewable energy.

An international team of physicists, chemists and biologists, led by the University of Cambridge, was able to study photosynthesis – the process by which plants, algae, and some bacteria convert sunlight into energy – in live cells at an ultrafast timescale: a millionth of a millionth of a second.

Despite the fact that it is one of the most well-known and well-studied processes on Earth, the researchers found that photosynthesis still has secrets to tell. Using ultrafast spectroscopic techniques to study the movement of energy, the researchers found the chemicals that can extract electrons from the molecular structures responsible for photosynthesis do so at the initial stages, rather than much later, as was previously thought. This ‘rewiring’ of photosynthesis could improve how it deals with excess energy, and create new and more efficient ways of using its power. The results were reported on March 22 in the journal Nature.

Sebbene la fotosintesi sia un processo ampiamente conosciuto e ampiamente studiato, i ricercatori dell’Università di Cambridge hanno scoperto che conserva ancora dei segreti nascosti. Utilizzando tecniche di spettroscopia ultraveloce, hanno scoperto che l’estrazione di elettroni dalle strutture molecolari responsabili della fotosintesi avviene in fasi precedenti rispetto a quanto ipotizzato in precedenza. Questo “ricablaggio” della fotosintesi potrebbe portare a una migliore gestione dell’energia in eccesso e allo sviluppo di modi nuovi e più efficienti per sfruttarne il potenziale. Attestazione: Mary Ayers

“Non sapevamo tanto della fotosintesi quanto pensavamo, e il nuovo percorso di trasferimento degli elettroni che abbiamo trovato qui è piuttosto sorprendente”, ha affermato il dott.

Sebbene la fotosintesi sia un processo naturale, gli scienziati hanno anche studiato come potrebbe essere utilizzata per aiutare ad affrontare la crisi climatica, ad esempio simulando processi fotosintetici per generare combustibili puliti dalla luce solare e dall’acqua.

Zhang ei suoi colleghi stavano inizialmente cercando di capire perché una molecola a forma di anello chiamata chinone potesse “rubare” elettroni dalla fotosintesi. Gli alchenoni sono comuni in natura e possono facilmente accettare e cedere elettroni. I ricercatori hanno usato una tecnica chiamata spettroscopia di assorbimento transitorio ultraveloce per studiare come si comportano i chinoni nei cianobatteri fotosintetici.

Un team internazionale di scienziati ha studiato il processo di fotosintesi nelle cellule viventi su una scala temporale ultrarapida di un milionesimo di milionesimo di secondo. Nonostante le ricerche approfondite, la fotosintesi detiene ancora segreti da scoprire. Utilizzando tecniche di spettroscopia ultraveloce, il team ha scoperto che le sostanze chimiche estraggono gli elettroni dalle strutture molecolari coinvolte nella fotosintesi in fasi molto precedenti rispetto a quanto si pensasse. Questo “ricablaggio” può migliorare la gestione della potenza in eccesso da parte del processo e generare modi nuovi ed efficienti per sfruttarne la potenza. Attestazione: Tommy Peake

“Nessuno aveva studiato adeguatamente come questa molecola interagisce con i meccanismi della fotosintesi in una fase così precoce della fotosintesi: pensavamo di usare una nuova tecnica per confermare ciò che già sapevamo”, ha detto Zhang. “Invece, abbiamo trovato un percorso completamente nuovo e abbiamo aperto un po’ la scatola nera della fotosintesi”.

Utilizzando la spettroscopia ultraveloce per monitorare gli elettroni, i ricercatori hanno scoperto che l’impalcatura proteica in cui si verificano le reazioni chimiche iniziali della fotosintesi è “perdente”, consentendo agli elettroni di fuoriuscire. Questa infiltrazione può aiutare le piante a proteggersi dai danni causati dalla luce intensa o che cambia rapidamente.

“La fisica della fotosintesi è incredibilmente impressionante”, ha detto il co-primo autore Tomi Baikie, del Cavendish Laboratory di Cambridge. “Normalmente lavoriamo con materiali di ordine superiore, ma l’osservazione del trasporto di carica attraverso le celle apre meravigliose opportunità per nuove scoperte su come funziona la natura”.

ha affermato la co-prima autrice, la dott.ssa Laura Way, che ha svolto il lavoro presso il Dipartimento di biochimica, ora con sede presso l’Università di Turku, in Finlandia. “Il fatto che non sapessimo che questo percorso esistesse è entusiasmante, perché possiamo sfruttarlo per estrarre più energia dalle fonti rinnovabili”.

Essere in grado di estrarre il carico all’inizio del processo di fotosintesi, affermano i ricercatori, potrebbe rendere il processo più efficiente durante la manipolazione dei percorsi fotosintetici per generare carburante pulito dal sole. Inoltre, la capacità di regolare la fotosintesi può significare che le colture potrebbero resistere meglio alla luce solare intensa.

“Molti scienziati hanno cercato di estrarre elettroni da un punto precedente della fotosintesi, ma hanno detto che non è possibile perché l’energia è sepolta nell’impalcatura proteica”, ha detto Zhang. “Il fatto che siamo riusciti a rubarlo in un’operazione precedente è sorprendente. All’inizio pensavamo di aver commesso un errore: ci è voluto un po’ per convincerci di averlo fatto”.

La chiave della scoperta è stata l’uso della spettroscopia ultraveloce, che ha permesso ai ricercatori di seguire il flusso di energia nelle cellule fotosintetiche viventi su una scala di femtosecondi, un millesimo di trilionesimo di secondo.

“L’uso di questi metodi ultrarapidi ci ha permesso di capire di più sui primi eventi della fotosintesi, da cui dipende la vita sulla Terra”, ha detto il coautore professor Christopher Howe, del Dipartimento di Biochimica.

Riferimento: “Fotosintesi ricablata su una scala temporale di picosecondi” di Tommy K. Paiki, Laura TY, Joshua M. Lawrence, Heights Medipaly, Erwin Reisner, Mark M. Nowaczyk, Richard H. Friend, Christopher J. Howe, Christophe Schneiderman, Akshay Rao e Jenny Zhang, 22 marzo 2023, disponibile qui. natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

La ricerca è stata sostenuta in parte dall’Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), dal Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) e fa parte di UK Research and Innovation (UKRI), nonché del Winton Program for Sustainability Physics presso l’Università. Cambridge, Commonwealth di Cambridge, Fondo europeo e internazionale e programma di ricerca e innovazione Horizon 2020. Jenny Zhang è David Phillips Fellow presso il Dipartimento di Chimica e Fellow del Corpus Christi College di Cambridge. Tomi Baikie è NanoFutures Fellow presso il Cavendish Laboratory. Laura Way è Postdoctoral Fellow presso la Novo Nordisk Foundation, Università di Turku.