Fotosintesi, studio italiano svela il meccanismo evolutivo che non fa sprecare energia alle piante
Un meccanismo da “insegnare” alle alghe per la produzione di biocombustibili
[29 Agosto 2016]
La fotosintesi garantisce la vita sulla terra. Questo processo non solo permette alle piante di crescere, assorbendo CO2 e trasformandola in zuccheri attraverso l’energia della luce, ma produce l’ossigeno indispensabile alla respirazione e combustione di tutti gli altri organismi e Mauro Bressan, Luca Dall’Osto, Roberto Bassi e Matteo Ballottari del dipartimento di biotecnologie dell’università di Verona, Daniele Viola, Giulio Cerullo e Cosimo D’Andrea del dipartimento di fisica del Politecnico di Milano e Marcelo Alcocer del Cnst dell’Istituto Italiano di Tecnologia, hanno pubblicato su Nature Plants la ricerca “LHCII can substitute for LHCI as an antenna for photosystem I but with reduced light-harvesting capacity” che chiarisce una questione chiave del funzionamento delle prime fasi della fotosintesi: hanno scoperto «il meccanismo con cui le piante hanno imparato con l’evoluzione a non sprecare energia» e dicono che proveranno a «insegnarlo alle alghe per renderle altamente efficienti per la produzione di biocombustibili».
Gli scienziati italiani spiegano che a partire dagli studi condotti dai biotecnologi veronesi sul miglioramento della produzione di biomassa di piante e alghe e grazie al coinvolgimento dei fisici del Politecnico e dell’IIT, specialisti nella misurazione di eventi ultrarapidi con strumentazione laser, hanno potuto «analizzare con grande precisione l’assorbimento della luce da parte delle piante e la sua trasformazione in energia chimica, un processo che si svolge in tempi misurabili in picosecondi (millesimi di miliardesimi di secondo). I fotoni vengono, infatti, assorbiti da strutture molecolari chiamate antenne che trasferiscono l’energia ai centri di reazione, fotosistemi, che la usano per estrarre elettroni dall’acqua e trasportarla alla CO2. Questa viene così trasformata in zuccheri e poi biomassa. I fotosistemi sono due PSI (fotosistema 1) e PSII (fotosistema 2). Questi lavorano in tandem, ma ciascuno ha una proprio antenna con caratteristiche e capace di assorbire la luce ben distinte».
Bassi, coordinatore del team veronese, spiega che «Dato che il PSI è molto più efficiente del PSII (97% contro 82%) – – siamo partiti dal presupposto che questo fenomeno fosse dovuto alle particolari caratteristiche strutturali dell’antenna del PSI, in grado di immagazzinare l’energia e fornirla al suo fotosistema quando fosse in grado di utilizzarla, senza disperderla. Per verificare questa ipotesi gli scienziati hanno prodotto piante in cui il PSI manca del suo sistema antenna. La pianta, in questo caso ne compensa la mancanza utilizzando l’antenna del PSII. Si è quindi potuto comparare un PSI che utilizza l’antenna del PSII per assorbire la luce e compararne l’efficienza nell’uso dell’energia rispetto al PSI naturalmente presente».
Cerullo, coordinatore del team del Politecnico di Milano, aggiunge: «Sorprendentemente, il nuovo PSI dotato dell’antenna proveniente dal PSII si è dimostrato ancora più efficiente dello stesso centro di reazione dotato della sua naturale antenna. Ciò significa che esso deve pagare un prezzo in termini di efficienza quando utilizza la propria antenna piuttosto che quella del PSII. Questa è la ragione per cui le alghe unicellulari più primitive, che utilizzano antenne molto simili per PSI e PSII sono meno efficienti».
Per spiegare questo apparente controsenso nel comportamento evolutivo delle piante i ricercatori hanno notato che, «Mentre un organismo unicellulare che riceve fotoni da tutte le direzioni ha a disposizione la stessa luce per il PSI e per il PSII, negli organismi pluricellulari la qualità della luce cambia a seconda dello strato cellulare in cui si trovano i fotosistemi. Questo accade perché gli strati cellulari superiori, con il loro contenuto in clorofilla sottraggono agli strati inferiori proprio i fotoni che vengono meglio assorbiti dalle antenne fotosintetiche». Gli scienziati italiani sottolineano che «E’ quello che accade all’interno delle foglie, dove, però, l’antenna del PSI si è differenziata da quella del PSII per assorbire i fotoni lasciati passare dagli strati superiori, che sono più abbondanti. La perdita di efficienza viene, quindi, compensata con l’assorbimento di una dose maggiore di fotoni. Ciò permette ai due fotosistemi, che lavorano in serie, di trasportare elettroni con lo stesso ritmo, collaborando egualmente alla produzione di biomassa. All’opposto, le condizioni in cui il PSII lavora più velocemente del PSI sono ben conosciute per produrre danni che possono portare alla distruzione dei fotosistemi e alla perdita di produttività. È questo il processo che per gli scienziati limita la crescita delle alghe, una risorsa per la produzione di cibo e biocombustibili per il futuro sui cui da anni si concentra lo sforzo dei ricercatori scaligeri».
Infatti, gli autori dello studio sono ora al lavoro per fornire alle alghe unicellulari un sistema antenna per il PSI simile a quello delle piante e dicono che «Ciò permetterà alle alghe di crescere anche a forti concentrazioni cellulari , nei fotobioreattori industriali in cui la filtrazione della luce è simile a quella che si trova nelle foglie delle piante».
Bassi conclude: «Il vantaggio applicativo che potrà derivare da questa ricerca sta proprio nel fatto che avendo svelato la ragione dell’efficienza delle piante, una strategia evoluta in centinaia di milioni di anni, possiamo ora insegnare alle alghe a fare come le piante. In questo modo potremo coltivare le alghe a concentrazione più alta con maggiore rendimento. Al momento, i fotobioreattori non sono abbastanza efficienti proprio perché contengono una quantità di alghe ridotta che non ripaga a sufficienza l’ elevato costo di gestione e costruzione».