I nuovi approcci della biologia sintetica migliorano la raccolta di energia solare da parte dei batteri
Piante, alghe e batteri catturano l’energia luminosa del Sole e la trasformano in energia chimica attraverso la fotosintesi. Questi fototropi raccolgono la luce solare grazie ai milioni di pigmenti fotosintetici, come clorofilla e batterioclorofilla, contenuti in ogni cellula fotosintetica. Per poter assorbire l’energia luminosa e trasmetterla alle reazioni energetiche della fotosintesi, questi pigmenti devono essere attaccati alla spina dorsale di proteine specializzate. Il progetto SYNTHPHOTO, finanziato dall’UE, ha fornito ulteriori informazioni su questo meccanismo vincolante mal compreso. «Vogliamo capire come si formano i complessi pigmento-proteine e come si avvia un processo che sfocia nella produzione di adenosina trifosfato, una sostanza chimica organica complessa che alimenta le migliaia di reazioni chimiche che permettono alle cellule di crescere e dividersi. Questi complessi per la raccolta della luce non solo forniscono energia per la vita, ma contengono anche il segreto per progettare dispositivi che un giorno potrebbero fornire energia pulita e illimitata dalla luce solare», osserva il Prof. Neil Hunter, coordinatore di SYNTHPHOTO. Studiare la biosintesi della clorofilla I ricercatori del laboratorio Hunter hanno clonato e sequenziato molti dei geni del percorso biosintetico della clorofilla dal Rhodobacter sphaeroides, un batterio fotosintetico viola, e dal cianobatterio Synechocysti. Molti di essi sono stati prodotti con successo in una forma attiva di Escherichia coli. Con particolare attenzione all’enzimologia di questo percorso, il team ha scoperto le reazioni enzimatiche alla base del primo e del terzo passaggio della biosintesi clorofilliana, nonché l’identità attuale dell’enzima che conferisce il colore verde alle piante che vediamo intorno a noi, così dominante sulla Terra da essere visibile anche dallo spazio. È importante notare che è la prima volta che i ricercatori hanno ricostruito con successo il percorso di biosintesi clorofilliana in un organismo non fotosintetico. «Abbiamo assemblato con successo moduli genetici in Escherichia coli che producono l’intero percorso della clorofilla. I nostri risultati delineano un insieme minimo di enzimi necessari per produrre clorofilla e stabiliscono una piattaforma per l’ingegneria fotosintetica in organismi modello eterotrofi», osserva il Prof. Hunter. Svelata la struttura dei complessi per la raccolta della luce Grazie all’uso della microscopia a forza atomica, delle tecniche di cristallografia e dei dati della microscopia elettronica, i ricercatori hanno costruito per la prima volta modelli a livello atomico dell’intera membrana fotosintetica di Rhodobacter sphaeroides. I modelli hanno previsto con successo il tempo di raddoppio del batterio, un risultato notevole. Un altro importante risultato è stata la determinazione di una struttura proteica fotosintetica che raccoglie e intrappola la luce infrarossa e la converte in una carica elettrica. La pionieristica ricerca è stata condotta su un complesso fotosintetico del batterio Blastochloris viridis, in grado di raccogliere e utilizzare la luce a lunghezze d’onda superiori a 1 000 nm, il limite rosso per la fotosintesi sulla Terra. Strutture ibride per una migliore raccolta della luce Utilizzando metodi di biologia sintetica, i ricercatori hanno creato il primo complesso fotosintetico ibrido in batteri, che aumenta l’efficienza di sfruttamento della luce solare rispetto alla fotosintesi naturale. Il team ha inoltre segnalato nuove chimiche di superficie e metodi di nanopatterning in grado di facilitare la costruzione di architetture innovative per il trasferimento e la cattura di energia accoppiata. In particolare, ha realizzato modelli in scala nanometrica di complessi fotosintetici su monostrati auto-assemblati depositati su oro e silicio utilizzando diversi metodi litografici. «Questi sistemi artificiali di raccolta della luce, che permettono di migliorare la comprensione dei sistemi di conversione dell’energia naturale, potrebbero guidare la progettazione e la produzione di dispositivi a prova di principio in grado di catturare, convertire e immagazzinare in modo efficiente l’energia solare», conclude il Prof. Hunter. In futuro potrebbero esserci numerose applicazioni nel settore energetico.
Parole chiave
SYNTHPHOTO, fotosintesi, batteri, pigmento, biologia sintetica, energia solare, complesso di raccolta della luce, biosintesi clorofilliana
