La fotosintesi potrebbe iniziare in modo diverso da quanto ipotizzato finora. A suggerirlo è uno studio pubblicato su Nature Communications, frutto di una collaborazione internazionale che ha coinvolto l’Istituto Nanoscienze del Cnr (Cnr Nano), la Princeton University, l’Università dell’Aquila e il Max Planck Institute. Al centro della ricerca c’è la separazione primaria di carica, il processo attraverso cui l’energia della luce viene trasformata per la prima volta in energia chimica. Si tratta di uno degli eventi più rapidi ed efficienti osservabili in natura, ma le sue dinamiche sono da decenni oggetto di dibattito nella comunità scientifica.
Il team, di cui fanno parte Matteo Capone e Laura Zanetti-Polzi del Cnr Nano di Modena, ha adottato un approccio interamente computazionale. Attraverso simulazioni a livello molecolare, i ricercatori hanno ricostruito le dinamiche del processo arrivando a una nuova interpretazione delle diverse velocità misurate sperimentalmente. Secondo lo studio, infatti, la variabilità dei tempi della separazione primaria di carica potrebbe non dipendere dall’esistenza di diversi percorsi di reazione paralleli, come sostenuto dall’ipotesi più diffusa. A determinare la velocità del processo sarebbe invece la continua riorganizzazione dell’ambiente molecolare che circonda il centro di reazione.
Nella fotosintesi, la luce viene catturata e convertita in energia chimica grazie a un complesso molecolare chiamato Fotosistema II. Quando il complesso assorbe un fotone, un elettrone viene trasferito da una molecola a un’altra all’interno del centro di reazione. È questo il passaggio definito separazione primaria di carica, che dà avvio alla sequenza di reazioni attraverso cui l’energia luminosa viene immagazzinata e resa disponibile per le fasi successive della fotosintesi.
A rendere particolarmente interessante il fenomeno è la sua estrema rapidità. Le misure sperimentali hanno infatti rilevato tempi che vanno da poche centinaia di femtosecondi fino ad alcuni picosecondi. Per spiegare questa significativa variabilità, l’interpretazione prevalente ha finora ipotizzato che la reazione potesse seguire percorsi alternativi.
I risultati della nuova ricerca propongono invece un quadro differente: non sarebbero necessari molteplici percorsi di reazione per spiegare le diverse velocità osservate. Le variazioni potrebbero emergere dalla dinamica dell’ambiente molecolare, che si modifica continuamente e influenza il trasferimento dell’elettrone. “In altre parole, si riteneva che l’elettrone potesse seguire vie differenti all’interno del Fotosistema II, ciascuna caratterizzata da tempi propri”, spiega Laura Zanetti Polzi di Cnr Nano. “Possiamo immaginare il trasferimento dell’elettrone come l’attraversamento di un bosco per andare da un rifugio a un altro”, prosegue Zanetti Polzi, “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”.
Lo scenario aperto dallo studio è reso possibile dall’integrazione di simulazioni di dinamica molecolare, calcoli di chimica quantistica e modellizzazione cinetica, grazie alle quali è stato possibile dimostrare che il percorso principale seguito dall’elettrone è unico, mentre a cambiare è l’ambiente molecolare in cui avviene il trasferimento elettronico. “Le continue fluttuazioni della 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”, aggiunge Matteo Capone di Cnr Nano. Lo studio contribuisce, così, a chiarire uno dei processi fondamentali della fotosintesi e offre nuovi elementi per comprendere come la natura riesca a convertire la luce in energia con un’efficienza straordinaria. “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”, conclude Capone.