Fotosintesi: una delle reazioni chimiche più importanti della natura viene ora catturata in un “film molecolare” rivoluzionario che ne mostra con grande definizione i meccanismi molecolari.

Utilizzando una combinazione unica di imaging su nanoscala e analisi chimica, un team internazionale di ricercatori ha rivelato un passo fondamentale nel meccanismo molecolare dietro la reazione di scissione dell’acqua della fotosintesi, una scoperta che potrebbe aiutare la progettazione di tecnologie innovative per le energie rinnovabili.

La vita dipende dall’ossigeno che piante e alghe separano dall’acqua; come lo fanno è ancora un mistero, ma gli scienziati, incluso il nostro team, stanno lentamente scavando per arrivare alla risposta

ha affermato Vittal K. Yachandra, co autore principale di un nuovo studio pubblicato in PNAS e scienziato chimico presso il Dipartimento di Energia (DOE) Lawrence Berkeley Laboratory (Berkeley Lab).

Comprendere questo passaggio della fotosintesi naturale, ci consentirebbe di utilizzare questi stessi principi per la progettazione e costruzione di sistemi fotosintetici artificiali che producano energia pulita e rinnovabile dalla luce solare e dall’acqua.

Con uno strumento progettato e fabbricato dal team, hanno analizzato le proteine ​​fotosintetiche utilizzando sia la cristallografia a raggi X sia la spettroscopia di emissione di raggi X.

Grazie a questo duplice approccio, che il team ha perfezionato negli ultimi 10 anni, si riescono a generare allo stesso tempo informazioni sulla struttura chimica e proteica dallo stesso campione.
L’imaging è stato eseguito con il laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) presso la LCLS del laboratorio nazionale SLAC e presso la SACLA in Giappone.

Con questa tecnica, otteniamo un quadro generale di come l’intera struttura proteica cambi dinamicamente e vediamo le complessità chimiche che si verificano nel sito di reazione

ha detto l’autore co-leader Junko Yano, biofisico molecolare del Berkeley Lab Divisione Bioimaging (MBIB).

Il laser a elettroni liberi dai raggi X produce lampi di raggi X estremamente luminosi e brevi che ci consentono non solo di analizzare una proteina a temperatura ambiente, che è il modo in cui si verificano queste reazioni in natura, ma anche di catturarne vari momenti lungo la scala dei tempi di reazione.

Grazie a questa combinazione di tecniche è stato generato un “film molecolare”.

I metodi di cristallografia tradizionale richiedono il congelamento delle proteine ​​del campione, di conseguenza, possono solo generare istantanee.

Questa limitazione rende difficile per gli scienziati capire come si comportano effettivamente le proteine ​​negli organismi viventi, perché le molecole si trasformano in diversi stati fisici durante le reazioni chimiche.

La reazione di scissione dell’acqua nella fotosintesi è un processo ciclico che ha bisogno di quattro fotoni e cicli tra quattro stati “stabili”. In precedenza si poteva solo scattare foto di questi quattro stati, ma ora invece è stato possibilevisualizzare come uno stato va all’altro.

Abbiamo visto, davvero bene, come la struttura cambia passo dopo passo mentre si trasforma da uno stato a quello successivo

ha dichiarato Jan F. Kern, chimico MBIB e coautore.

In questo modo quindi si vede la “causa ed effetto” e il ruolo che ogni atomo in movimento svolge in questa transizione.