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Scoperto un interruttore quantistico nelle alghe

Di recente un team di ricercatori australiani ha scoperto in che modo le alghe accendono e spengono gli interruttori quantistici alla base della fotosintesi

Scritto da Annalisa Arci il 22.06.2014

I processi naturali sfruttano gli effetti quantistici per migliorare la loro efficienza? Se dovessi rispondere, direi di sì, se non altro perché è abbastanza ovvio pensare che, più si scende nella scala delle grandezze, più tutto sia governato dai processi quantistici – non dimentichiamoci che siamo fatti di atomi. Ma quando si tratta di osservare le dinamiche quantistiche nei processi biologici, questo tutto e l’occhio di chi guarda diventano meno ovvi. 

Di recente un team di ricercatori australiani ha scoperto in che modo le alghe, che spesso si trovano molto lontane dalle fonti luminose primarie, accendono e spengono gli interruttori quantistici alla base della fotosintesi. Detto più semplicemente, siamo giunti ormai a capire in che modo viene regolata la coerenza quantistica in alcuni sistemi biologici.

Credit: CSIRO.

La ricerca, pubblicata nei Proceedings of the National Academy of Sciences, è un significativo passo avanti in un settore di ricerca – la biologia quantistica – che in questi ultimi anni sta catturando l’attenzione di studiosi di diversa estrazione scientifica (fisici, biologi, genetisti e matematici).

Di sicuro avrete sentito parlare degli studi sugli uccelli e sulla loro capacità di “captare” il campo magnetico terrestre durante le migrazioni di massa. Le ricerche concernenti il ruolo dei fenomeni quantistici nella sopravvivenza e nello sviluppo dei sistemi organici rappresentano un’altra branca della biologia quantistica, un campo di studi che negli ultimi anni ha fatto passi da gigante: per fare qualche esempio, sappiamo che la coerenza quantistica gioca un ruolo determinante nella fotosintesi, e che sono già stati effettuati studi che confermano la presenza nel DNA di proprietà quantistiche. Sappiamo anche che le molecole del DNA hanno infatti la proprietà di essere doppiamente chirali, sia nella direzione di avvolgimento della spirale ad elica sia nella disposizione dei filamenti. Il possesso di questa caratteristica, che consiste nell’avere un’immagine speculare non sovrapponibile a sé – come nel caso delle mani – rende il DNA sensibile allo spin, al punto che alcune molecole filtrano e/o interagiscono in modo diverso con diversi stati di spin.

Ora, in questa nuova ricerca si parla di alghe: “abbiamo studiato piccole alghe unicellulari chiamate cryptophytes che prosperano nel fondali marini o sotto spessi strati di ghiacciodove davvero poca luce è in grado di raggiungerle”, ha spiegato il professor Paul Curmi, uno degli autori del paper. “La maggior parte delle cryptophytes ha un sistema di raccolta della luce in cui la coerenza quantistica è presente. Ma abbiamo trovato una classe di cryptophytes dove questa capacità viene per così dire spenta a causa di una mutazione genetica che altera la forma di una proteina di raccolta della luce. Questa è una scoperta molto eccitanteSignifica che saremo in grado di scoprire il ruolo della coerenza quantistica nella fotosintesi confrontando organismi con i due diversi tipi di proteine​”.

Per capirci: la fotosintesi è il processo con cui, nei composti organici, l’energia solare viene utilizzata per convertire l’anidride carbonica. Nonostante si verifichi in specie differenti, ha delle caratteristiche fondamentali che si mantengono: i fotoni vengono prima assorbiti dai pigmenti (molecole di clorofilla o carotenoidi) e, poi, trasmessi ad un nucleo funzionale dove avvengono le reazioni chimiche primarie. Alcuni esperimenti, pubblicati a partire dal 2004 su Nature e Science, avevano suggerito che negli organismi fotosintetici avviene qualcosa di più complesso del “semplice” passaggio da un livello energetico all’altro degli atomi eccitati dalla luce, dovuto probabilmente ad un comportamento oscillatorio delle eccitazioni elettroniche in entrambe le molecole (donatrice ed eccitante). Simili oscillazioni, incontrandosi ed interferendo costruttivamente, danno luogo ad una sovrapposizione di stati che può sondare tutti i potenziali percorsi energetici e scegliere quasi istantaneamente il percorso più veloce verso il centro di reazione. L’evidenza di effetti coerenti di questo tipo aveva indirizzato le ricerche verso le proprietà non locali di questi sistemi, ossia l’entanglement. Ora, una nuova scoperta mostra che il trasferimento di energia tra molecole nei sistemi di raccolta di luce da due specie diverse cryptophyte è coerente.

Questi organismi non solo hanno due peculiarità: non sono descrivibili nei termini delle comuni equazioni di diffusione, dunque sfuggono alla fisica classica, e sono decisamente più efficienti di qualunque sistema artificiale. Ma sembra che in alcune alghe e batteri vi siano delle proteine in grado di massimizzare la conversione di energia dalla luce assorbita: la cristallografia a raggi X sembra confermare questo assunto in tre diverse specie di cryptophytes. In due di queste tre specie studiate una mutazione genetica ha portato all’inserimento di un amminoacido supplementare che modifica la struttura del complesso proteicointerrompendo la coerenza. “Questo dimostra che le cryptophytes si sono evolute incorporando un interruttore genetico elegante e potente per controllare la coerenza quantistica e cambiare i meccanismi utilizzati per la raccolta della luce“, conclude il Professor CurmiIl prossimo passo sarà uno studio sistematico e comparativo delle specie di  cryptophytes, dalla loro distribuzione ambientale alla loro mappa genica per comprendere se l’interruttore quantistico le sta aiutando nella lotta per la sopravvivenza.

Bibliografia:

Stephen J. Harrop, et alii., Single-residue insertion switches the quaternary structure and exciton states of cryptophyte light-harvesting proteins, in PNAS, 16, 2014 DOI:10.1073/pnas.1402538111

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