I carotenoidi, gli stessi pigmenti presenti nelle carote, svolgono un ruolo cruciale per la fotosintesi nei batteri rossi, perché mediano il trasporto dell'energia della radiazione luminosa verso la clorofilla. Questo processo coinvolge uno stato quantistico definito “oscuro”, perché non utilizzato direttamente nella captazione dei fotoni, già previsto per via teorica.
I carotenoidi sono i pigmenti organici che danno il caratteristico colore arancione alle carote e quello rosso ai pomodori, ma sono presenti anche nei batteri rossi fotosintetici.
Una nuova ricerca a firma di Greg Scholes, professore del dipartimento di Chimica dell'Università di Toronto, in Canada, ha permesso di osservare i meccanismi biochimici che consentono a questi pigmenti di mediare il trasferimento di energia nel processo di fotosintesi clorofilliana, grazie anche alla formazione di uno stato quantistico “oscuro”, cioè non direttamente coinvolto nella captazione dei fotoni, già previsto per via teorica alcuni anni fa ma finora mai osservato sperimentalmente.
La fotosintesi clorofilliana è il processo mediante il quale le piante e altri organismi sintetizzano composti organici a partire da sostanze inorganiche, sfruttando la radiazione solare come fonte di energia.
Nel meccanismo di assorbimento della luce è centrale la molecola di clorofilla, un pigmento che assorbe i fotoni innescando una complessa sequenza di stadi chimici in cui gli elettroni passano da uno stato fondamentale a uno eccitato e vengono successivamente ceduti, con la produzione di finale di una molecola di ATP ogni due elettroni liberati.
Una parte importante in questa fase della fotosintesi è la presenza di pigmenti adiuvanti, come i carotenoidi, che assorbono la luce in regioni spettrali non accessibili alla clorofilla, alla quale l'energia viene successivamente ceduta con un complesso sistema di trasporto rimasto finora fuori portata delle capacità osservative dei ricercatori.
Una rappresentazione artistica del ruolo dei carotenoidi nella fotosintesi. Nei batteri rossi (in alto a destra) la fotosintesi si svolge nei centri di reazione (in alto a sinistra) presenti nella membrana cellulare. I carotenoidi (molecola rossa al centro) captano i fotoni in una parte specifica dello spettro elettromagnetico, rendendo disponibile l'energia alla clorofilla (molecola verde a destra) (Cortesia Evgeny Ostroumov)
Scholes e colleghi hanno utilizzato una tecnica di microspia elettronica bidimensionale in banda larga con cui è possibile osservare la struttura e la dinamica di atomi e molecole, per studiare due specie di batteri rossi: Rhodopseudomonas acidophila e Rhodobacter sphaeroides.
L'analisi ha permesso la caratterizzazione completa della sequenza di stati quantistici degli elettroni grazie ai quali i carotenoidi svolgono la loro funzione: in particolare, i dati hanno rilevato la firma caratteristica di uno stato speciale di questa sequenza, definito "oscuro", perché non è utilizzato direttamente per catturare i fotoni di luce ma solo per mediare il trasporto di energia verso la clorofilla.
"E' assolutamente controintuitivo che uno stato che non partecipa all'assorbimento della luce sia utilizzato in questo modo”, ha sottolineato Scholes, commentando il risultato. “È incredibile che la natura utilizzi una gamma così ampia di aspetti diversi della meccanica quantistica per sfruttare le molecole di carotenoidi: abbiamo trovato la prova sperimentale di un processo su cui si discute a livello teorico da decenni”.
