Dalle alghe il segreto per trasferire energia in modo efficiente / From the algae the secret to transfer energy efficiently

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Secondo una ricerca dell’Università di Padova le leggi probabilistiche della meccanica quantistica spiegano la delocalizzazione dell’energia, aprendo scenari completamente nuovi per l’interpretazione dei processi biologici e artificiali

Il trasferimento di energia in materiali molecolari è uno dei processi foto-fisici (cioè indotti dall’interazione con la luce) più studiati dalla comunità scientifica perché è alla base di molti meccanismi naturali e industriali. Nella fotosintesi un ruolo fondamentale è rivestito dai cosiddetti complessi antenna, proteine che assorbono la luce e trasferiscono la risultante energia di eccitazione ad altre proteine (i centri di reazione) dove essa è utilizzata per generare metaboliti fondamentali per la vita. Allo stesso modo in un dispositivo fotovoltaico si ha assorbimento di energia luminosa e un suo efficace trasferimento in punti dove può essere convertita in energia elettrica. Data la straordinaria efficienza con la quale il trasferimento di energia avviene in natura è naturale guardare ad esso come fonte di ispirazione per il design di materiali artificiali.

Nonostante molti dettagli del processo di trasferimento di energia nei “complessi antenna” siano noti, alcuni aspetti più sottili, ma cruciali, del meccanismo di trasporto sono ancora sconosciuti, soprattutto quelli nelle scale dei tempi ultraveloci, cioè con velocità dell’ordine di milionesimi di miliardesimi di secondo (femtosecondi). Qui le leggi della fisica classica possono perdere di validità, mentre quelle probabilistiche della meccanica quantistica diventano rilevanti, aprendo scenari completamente nuovi per l’interpretazione dei processi biologici e artificiali.

Utilizzando una tecnica spettroscopica avanzata in grado di fornire i primi dati sperimentali diretti sulla presenza di tali effetti quantistici, grazie al photon echo bidimensionale appositamente realizzato nei laboratori del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova, il team di ricerca ha studiato i trasferimenti di energia all’interno del “complesso antenna PCP” (peridin-chlorophyll-protein noto per il suo alto contenuto di carotenoidi), responsabile dell’assorbimento di luce in alghe microscopiche (dinoflagellati).Uno studio, pubblicato su Nature Communications, di Elisabetta Collini del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova dimostra sperimentalmente per la prima volta come le leggi probabilistiche della meccanica quantistica siano quelle che regolano il trasferimento dell’energia e abbiano rilevanza nelle funzioni biologiche.

I carotenoidi assorbono la luce assumendo colorazioni arancioni-rosse e nella fotosintesi hanno funzioni di fotoprotezione, cioè impediscono che, in eccesso di luce, si formino i radicali liberi dell’ossigeno che potrebbero danneggiare il fotosistema. Nel caso della PCP possono funzionare anche come cromofori assorbitori di energia. Mentre la maggior parte degli organismi fotosintetici utilizza molecole di clorofilla come principali assorbitori di luce (da cui la tipica colorazione verde), la PCP utilizza invece principalmente molecole di peridinina. Questo carotenoide le permette di assorbire luce in una regione spettrale dove i sistemi a base di clorofilla non la utilizzano minimizzando così la concorrenza con gli altri organismi. La luce viene assorbita dalle peridinine e la risultante energia di eccitazione viene poi convogliata verso le clorofille da cui poi proseguirà verso i centri di reazione. Il trasferimento di energia avviene quindi dai carotenoidi verso le clorofille: il carotene in stato eccitato (dopo l’assorbimento della luce) cede energia a una molecola che “rilassa” verso l’equilibrio cedendo l’energia in eccesso a molecole vicine o all’ambiente circostante.

I dati sperimentali, confermati dalle modellizzazioni teoriche eseguite con l’Università di Pisa, hanno permesso di scoprire la presenza di stati quantistico-coerenti parzialmente delocalizzati su più molecole. Tali stati, descrivibili solo attraverso la meccanica quantistica (cioè non spiegabili con le leggi della fisica classica), sono creati direttamente dall’interazione con la luce e sembrano essere coinvolti in un più veloce trasporto dell’energia sulla molecola di clorofilla che funge da accettore finale. In altre parole, la presenza di stati coerenti contribuisce all’efficienza del processo di trasferimento di energiacomplessivo, trasportando in modo più veloce l’energia di eccitazione sulla clorofilla accettore da cui poi verrà trasferita ai centri di reazione per la conversione in energia chimica. I ricercatori hanno trovato conferma che solo un meccanismo quantistico coerente può spiegare come l’energia possa essere immediatamente delocalizzata in maniera più efficiente e più veloce.

“Supponiamo di studiare il trasferimento di energia da una molecola donatore a una molecola accettore con i canoni della fisica classica. L’energia in eccesso sul donatore – acquisita dopo l’assorbimento di luce – passa sull’accettore con un salto, un energy jump“, spiega Elisabetta Collini. “La velocità con cui questo avviene dipende dalla distanza, orientazione reciproca e interazione tra due cromofori. L’energia di eccitazione è sempre localizzata: o su una molecola o sull’altra. Se i soggetti coinvolti sono più di due il trasferimento di energia avviene con una serie di salti energetici. Maggiore è il numero di salti che separa il donatore iniziale dall’accettore finale, più lento è il processo che porta l’energia sull’accettore finale e quindi maggiore è la probabilità che l’energia venga persa prima di arrivare alla sua ultima destinazione. In un meccanismo quantistico coerente le cose cambiano: quando si forma una coerenza quantistica tra due o più molecole, il sistema è caratterizzato da uno stato in cui l’energia di eccitazione è simultaneamente su tutte le molecole (l’eccitazione è contemporaneamente sul donatore e sull’accettore). Una volta eccitato il donatore, tale eccitazione è immediatamente delocalizzata su tutti i cromofori coinvolti. Dato che l’energia è immediatamente delocalizzata anche sull’accettore finale, il processo di trasferimento è più efficiente e veloce. La pubblicazione su Nature Communications dimostra sperimentalmente –  conclude Elisabetta Collini – che la creazione di uno stato delocalizzato comporta una maggiore velocità di trasferimento all’accettore finale e un più efficiente trasferimento dell’energia”.

Oltre alla comprensione di come avviene il trasferimento di energia nelle antenne biologiche, la ricerca ha enormi implicazioni per lo sfruttamento di queste coerenze quantistiche. Ad esempio si potrebbe controllare la trasmissione di energia da un punto a un altro di un sistema, sintetizzare sistemi in cui il trasferimento avvenga in modo coerente ingegnerizzando distanze, orientazioni e proprietà ottiche del materiale in modo che imitino quelle della PCP. In sostanza si potrebbe creare un sistema dove il trasferimento di energia avvenga in modo più veloce e controllato anche nei materiali artificiali. Il lavoro ha confermato come la natura sfrutti la coerenza quantistica per aumentare l’efficienza delle sue funzioni biologiche. Ora la sfida, suggerita dalla ricerca, sta nel capire se sia possibile utilizzare tale coerenza come nuovo criterio per il design di materiali innovativi per l’energetica.

ENGLISH

According to a study by the University of Padua, the probabilistic laws of quantum mechanics explain the delocalization of energy, opening completely new scenarios for the interpretation of biological and artificial processes

The transfer of energy in molecular materials is one of the photo-physical processes (that is, induced by interaction with light) most studied by the scientific community because it is the basis of many natural and industrial mechanisms. In photosynthesis, a fundamental role is played by so-called antenna complexes, proteins that absorb light and transfer the resulting excitation energy to other proteins (the reaction centers) where it is used to generate vital metabolites for life. Likewise, in a photovoltaic device there is absorption of light energy and its effective transfer to points where it can be converted into electrical energy. Given the extraordinary efficiency with which the transfer of energy takes place in nature it is natural to look at it as a source of inspiration for the design of artificial materials.

Although many details of the energy transfer process in the "antenna complexes" are known, some more subtle but crucial aspects of the transport mechanism are still unknown, especially those in the ultra-fast time scales, that is, with speeds of the order of millionths of billionths of a second (femtoseconds). Here the laws of classical physics can lose validity, while the probabilistic ones of quantum mechanics become relevant, opening completely new scenarios for the interpretation of biological and artificial processes.

Using an advanced spectroscopic technique able to provide the first direct experimental data on the presence of such quantum effects, thanks to the two-dimensional photon echo specifically realized in the laboratories of the Department of Chemical Sciences of the University of Padua, the research team studied the transfers of energy within the "PCP antenna complex" (peridin-chlorophyll-protein known for its high carotenoid content), responsible for light absorption in microscopic algae (dinoflagellates). A study, published in Nature Communications, by Elisabetta Collini of the Department of Chemical Sciences of the University of Padua experimentally demonstrates for the first time how the probabilistic laws of quantum mechanics are those that regulate energy transfer and have relevance in biological functions.

The carotenoids absorb light by taking orange-red colorations and in photosynthesis they have photoprotection functions, that is, they prevent the formation of free oxygen radicals in excess light that could damage the photosystem. In the case of PCP they can also function as energy absorbing chromophores. While most photosynthetic organisms use chlorophyll molecules as main light absorbers (hence the typical green coloration), PCP uses mainly peridynin molecules instead. This carotenoid allows it to absorb light in a spectral region where chlorophyll-based systems do not use it, thus minimizing competition with other organisms. The light is absorbed by the peridynins and the resulting excitation energy is then conveyed to the chlorophylls from which it will then proceed towards the reaction centers. The energy transfer takes place from the carotenoids to the chlorophylls: the carotene in an excited state (after the absorption of light) gives energy to a molecule that "relaxes" towards the equilibrium, giving the excess energy to nearby molecules or surrounding environment.

The experimental data, confirmed by the theoretical modeling carried out with the University of Pisa, have allowed us to discover the presence of quantum-coherent states partially delocalized on more molecules. Such states, which can be described only through quantum mechanics (ie not explained by the laws of classical physics), are created directly by the interaction with light and seem to be involved in a faster transport of energy on the chlorophyll molecule that acts as an acceptor the final. In other words, the presence of coherent states contributes to the efficiency of the complex energy transfer process, transporting the excitation energy faster on the chlorophyll accepting it from which it will then be transferred to the reaction centers for conversion into chemical energy. The researchers found that only a coherent quantum mechanism can explain how energy can be immediately delocalized more efficiently and faster.

"Suppose we study the transfer of energy from a donor molecule to an acceptor molecule with the canons of classical physics. The excess energy on the donor - acquired after the absorption of light - passes on the acceptor with a jump, an energy jump ", explains Elisabetta Collini. "The speed with which this happens depends on the distance, mutual orientation and interaction between two chromophores. The excitation energy is always localized: either on a molecule or on the other. If the subjects involved are more than two, the energy transfer takes place with a series of energy jumps. The greater the number of jumps that separate the initial donor from the final acceptor, the slower the process that brings energy to the final acceptor, and the greater the likelihood that the energy will be lost before it reaches its final destination. In a coherent quantum mechanism things change: when a quantum coherence is formed between two or more molecules, the system is characterized by a state in which the excitation energy is simultaneously on all the molecules (the excitation is simultaneously on the donor and sull'accettore). Once the donor is excited, this excitement is immediately delocalized on all the chromophores involved. Since energy is immediately delocalised even on the final acceptor, the transfer process is more efficient and faster. The publication in Nature Communications proves experimentally - concludes Elisabetta Collini - that the creation of a delocalized state involves a greater transfer speed to the final acceptor and a more efficient transfer of energy ".

In addition to understanding how energy transfer occurs in biological antennas, research has enormous implications for the exploitation of these quantum coherences. For example, you could control the transmission of energy from one point to another in a system, synthesize systems in which the transfer occurs coherently, engineering distances, orientations and optical properties of the material so that they imitate those of the PCP. Basically, a system could be created where energy transfer takes place faster and more even in artificial materials. The work confirmed that nature exploits quantum coherence to increase the efficiency of its biological functions. Now the challenge, suggested by the research, lies in understanding whether it is possible to use this coherence as a new criterion for the design of innovative materials for energy.

Da:

https://www.galileonet.it/2018/08/alghe-segreto-energia/?utm_campaign=Newsatme&utm_content=Dalle%2Balghe%2Bil%2Bsegreto%2B%2Bper%2Btrasferire%2Benergia%2Bin%2Bmodo%2Befficiente&utm_medium=news%40me&utm_source=mail%2Balert