Fotosintesi artificiale e naturale per la produzione di energia

Centro di reazione del batterio fotosintetico Rhodobacter sphaeroides, enzima responsabile della conversione della luce in coppie elettrone-lacuna in fotosintesi

Formalizzato ufficialmente nel gennaio del 1995 a seguito degli accordi CNR-MISM, il Centro Studi Chimico-Fisici sulla Interazione Luce Materia inizia la propria attività alla fine degli anni '80. Le tematiche della ricerca si sono svolte in ambito multidisciplinare, coniugando le competenze della chimica teorica, della chimica-fisica e della biofisica per investigare le modalità delle interazioni fra la radiazione elettromagnetica e la materia irradiata. In particolare, una delle tematiche di ricerca di maggiore impatto ha affrontato, nel corso degli ultimi dieci anni, lo studio del processo della fotosintesi, il processo attraverso cui l'energia associata alla radiazione solare viene trasformata in forme di energia chimica utilizzabili dai sistemi biologici, energia che viene realizzata da diversi organismi viventi che spaziano dalle piante alle alghe, fino ai batteri. La rilevanza planetaria di questo processo è enorme: tutto il cibo e tutto il combustibile fossile disponibili sul pianeta sono il prodotto di questo fondamentale meccanismo di trasformazione energetica. La sua comprensione è, quindi, di grande importanza tanto per ragioni economiche, come ad esempio il miglioramento della produttività in agriselvicoltura, quanto per ragioni ambientali che vanno dall'indagine sui meccanismi di azione degli erbicidi alle possibili applicazioni di sistemi fotosintetici artificiali nella produzione di energia a basso impatto ambientale. Non si può quindi prescindere dalla caratterizzazione della fotosintesi ai diversi livelli di complessità, da quello macroscopico dell'intero organismo a quello molecolare della chimica-fisica del processo di trasformazione.

Gli organismi fotosintetici si sono evoluti nel tempo generando un complesso macchinario molecolare che presiede alla trasformazione della radiazione solare in energia chimica. L'apparato fotosintetico, che aumenta in complessità, spostandosi dai batteri alle piante superiori, è costituito da enzimi, proteine e piccole molecole che presiedono allo svolgimento della sequenza di stadi necessari alla cattura della luce (clorofille e complessi antenna), alla sua trasformazione in potenziale redox (centro di reazione), alla traslocazione del potenziale redox (ciclo dei chinoni e dei citocromi solubili) ed infine alla traslocazione transmembrana di protoni (citocromo bc 1 ).

La caratterizzazione dei singoli componenti dell'apparato fotosintetico è ovviamente di grande interesse tanto per la comprensione del processo in vivo quanto per la sua riproduzione in sistemi mimetici ed artificiali. I ricercatori del nostro organo studiano la chimica-fisica dei componenti dell'apparato fotosintetico dei batteri rossi non sulfurei, in particolare del batterio Rhodobacter sphaeroides (Rb. sphaeroides). Studi su frammenti subcellulari (cromatofori), su enzimi isolati e su enzimi ricostituiti in sistemi mimetici (liposomi e micelle inverse) vengono compiuti per caratterizzare la dinamica delle reazioni di trasferimento elettronico e del ciclo dei chinoni. Notevoli sforzi sono stati compiuti nella caratterizzazione chimico-fisica in sistemi isolati delle reazioni di scambio fra il sito di legame del chinone all'interno del centro di reazione ed il chinone stesso, con l'obiettivo di caratterizzare parte del ciclo di traslocazione (ciclo dei chinoni) e di ottenere informazioni sul sito di azione degli erbicidi, il cui meccanismo di funzionamento è l'inibizione dell'interazione fra chinone e proteina fotosintetica.

Schema delle modalità di sintesi di nanoparticelle di Cadmio Solfuro in sistemi a quattro componenti

Un recente e promettente sviluppo di tale linea di ricerca è inerente all'uso ambientale dei microrganismi fotosintetici. Il problema dell'abbattimento dei metalli pesanti in bacini idrici chiusi contenenti acque di provenienza industriale e caratterizzate da elevato inquinamento (alto COD) è di grande attualità tanto per le disposizioni legislative ambientali che si fanno sempre più rigide, quanto per l'attenzione che l'opinione pubblica pone alle problematiche legate all'impatto ambientale ed alla tossicità di queste sostanze. Negli ultimi anni le applicazioni della bioremediation sono state estese verso la soluzione di questo tipo di inquinamento. È stato ampiamente dimostrato che esiste una vasta gamma di microrganismi in grado di vivere, e talune volte di prosperare, in presenza di elevate concentrazioni di ioni metallici. Fra questi organismi i più interessanti, per la loro elevata versatilità, sono certamente i microrganismi fotosintetici quali microalghe, cianobatteri e, non ultimi, i batteri fotosintetici anossigenici. L'interesse applicativo si è focalizzato verso la massimizzazione delle capacità globali di bioassorbimento degli organismi fotosintetici anossigenici. La relazione fra il bioassorbimento ed il meccanismo di funzionamento e l'efficienza dell'apparato fotosintetico richiede una puntuale caratterizzazione delle proprietà della macchina molecolare della fotosintesi in relazione alle condizioni ambientali di crescita. Un ulteriore aspetto di questi sistemi adoperati per la bioremediation è un impatto ambientale secondario molto contenuto, ovvero il rilascio di sostanze inquinanti nell'ambiente a causa delle tecniche di bonifica, come ad esempio le condizioni di crescita e la produzione di fanghi. Nel caso degli organismi fotosintetici le condizioni di crescita sono la presenza contemporanea di luce ed anidride carbonica, componenti facilmente disponibili nell'ambiente ed economicamente vantaggiosi. I fanghi di questi microrganismi potrebbero inoltre essere utilizzabili per l'estrazione di componenti cellulari di interesse industriale e, potenzialmente, per il recupero dei metalli assorbiti.

L'ultimo triennio di attività del centro ha ulteriormente ampliato lo studio delle interazioni fra la luce e materiali innovativi, aprendo un'importante e nuova tematica di ricerca sulla fotosintesi artificiale e sui materiali nanocristallini. Negli ultimi anni è infatti fortemente cresciuto l'interesse della ricerca scientifica nei riguardi dei nanocristalli di solidi semiconduttori, le cui proprietà chimico-fisiche, in un regime dimensionale di transizione tra la materia bulk e i sistemi molecolari, si sono rivelate fortemente dipendenti dalla forma e dalla grandezza dei nanocluster. La comparsa di effetti di confinamento quantico in condizioni di ridotta dimensionalità si traduce nella variazione del band gap e nella concentrazione della forza dell'oscillatore in poche transizioni elettroniche, che conferiscono proprietà termodinamiche, ottiche e magnetiche assolutamente inedite e modulabili in base alle dimensioni dei nanocristalli. Queste caratteristiche offrono la possibilità di progettare materiali dalle ben definite proprietà e di adattarli in maniera molto versatile ad un'ampia gamma di applicazioni tecnologiche, non solo modificandone la composizione chimica, ma anche controllandone le dimensioni.

Struttura delle clorofille delle piante e delle alghe

In questo senso l'attività del Centro si sta sviluppando su diversi fronti: da un lato, la preparazione e caratterizzazione ottica, elettronica, strutturale e morfologica dei materiali nanostrutturati; dall'altro, il loro utilizzo per applicazioni fotocatalitiche ed optoelettroniche.

I nanomateriali rivestono un ruolo potenziale di grande impatto per i problemi di tipo ambientale, per lo sviluppo di sistemi rivolti alla conversione di energia e alla ricerca di fonti energetiche a basso impatto ambientale, alla bonifica da rifiuti e inquinanti e al monitoraggio delle fonti di inquinamento. In questa direzione sono orientate le ricerche sulle potenzialità dei semiconduttori nanostrutturati nell'ambito della degradazione fotocatalitica di inquinanti organici. Sono inoltre avviati un progetto per la costruzione di giunzioni nanocristalline costituite da ossidi e semiconduttori e sensibilizzate con pigmenti fotosintetici per applicazioni nel campo della conversione dell'energia solare e una ricerca rivolta alla messa a punto di sensori ibridi ad enzima e nanoparticelle di semiconduttori per la rivelazione di analiti di interesse nelle tecnologie agroalimentari.

Inoltre, nell'ambito della sintesi e caratterizzazione dei materiali nanostrutturati, potenti strumenti, disponibili presso il Centro, sono rappresentati dai metodi teorici, modellistici e di simulazione che vengono utilizzati per la comprensione dei meccanismi di formazione e crescita delle nanostrutture e per la previsione delle proprietà optoelettroniche dei materiali da sintetizzare.