Riassunto:
Una reazione chimica di base che supporta la fotosintesi, il metabolismo e numerosi processi di conversione dell'energia è stata recentemente catturata completamente dagli scienziati con una precisione senza precedenti. Per la prima volta, i ricercatori hanno osservato simultaneamente i cambiamenti nella struttura elettronica all’interno della molecola e il processo di riorganizzazione della rete molecolare dell’acqua circostante, fornendo una nuova prospettiva sulla comprensione dei meccanismi chiave di reazione nei sistemi vitali ed energetici.
Questa ricerca è stata completata dal Pacific Northwest National Laboratory negli Stati Uniti, dallo Stanford Linear Accelerator Center e da una serie di istituti di ricerca scientifica. I risultati della ricerca mostrano che quando si verifica un'importante reazione di trasferimento di energia, le molecole che partecipano alla reazione e l'ambiente solvente circostante non cambiano in modo indipendente, ma evolvono insieme in modo altamente accoppiato.
L'oggetto della ricerca è un processo chiamato "trasferimento di elettroni accoppiati a protoni" (PCET). In questa reazione, i protoni carichi positivamente e gli elettroni carichi negativamente si muovono simultaneamente, completando il trasferimento di energia. Numerose attività biochimiche chiave in natura si basano su questo meccanismo, compreso l’uso della luce solare da parte delle piante per la fotosintesi e i processi metabolici mediante i quali gli organismi convertono il cibo in energia.
Gli scienziati affermano che il movimento coordinato di protoni ed elettroni può aiutare le molecole a superare alcuni passaggi intermedi che consumano energia, rendendo così le reazioni chimiche più veloci ed efficienti. Oltre alle attività della vita, meccanismi simili si trovano ampiamente anche nelle tecnologie energetiche come i catalizzatori, le celle a combustibile e le batterie a flusso.
Tuttavia, questa reazione è stata a lungo difficile da osservare direttamente.
Gli elettroni si muovono estremamente velocemente e i protoni si muovono a velocità molto simili. Allo stesso tempo, la rete di molecole d’acqua attorno alle molecole reagenti continuerà a riorganizzarsi entro la stessa scala temporale estremamente breve. Esperimenti precedenti erano riusciti a catturare alcuni di questi processi, ma non erano in grado di registrare simultaneamente la connessione tra i cambiamenti negli elettroni e i cambiamenti nell’ambiente del solvente.
Per superare questo problema, il gruppo di ricerca ha utilizzato il dispositivo laser a elettroni liberi Linac Coherent Light Source presso lo Stanford Linear Accelerator Center negli Stati Uniti per osservare l'intero processo di reazione attraverso due tecnologie a raggi X ultraveloci complementari.
Nell'esperimento, i ricercatori hanno prima utilizzato la luce per eccitare uno speciale sistema molecolare, quindi hanno utilizzato continuamente i raggi X per rilevarne i cambiamenti strutturali in un tempo molto breve. Allo stesso tempo, il gruppo di ricerca ha anche combinato calcoli di chimica quantistica e simulazioni di dinamica molecolare per analizzare e ricostruire i dati sperimentali.
I risultati finali mostrano che quando una molecola acquisisce un protone, la sua distribuzione interna degli elettroni cambierà in modo significativo in posizioni specifiche e contemporaneamente verrà riorganizzata anche la rete circostante di molecole d'acqua originariamente disposte stabilmente. In altre parole, i cambiamenti nelle molecole stesse avvengono contemporaneamente ai cambiamenti nell’ambiente, piuttosto che indipendentemente gli uni dagli altri.
Elisa Biasin, una dei leader del progetto, ha affermato che questa è la prima volta che gli scienziati hanno osservato direttamente come i cambiamenti nella struttura elettronica associati al trasferimento di protoni sono associati alla riorganizzazione dell'ambiente solvente circostante. Questo risultato fornisce un nuovo metodo di ricerca per comprendere come le molecole e l’ambiente coevolvono.
Per semplificare l'analisi, il team di ricerca ha scelto come oggetto di ricerca un sistema molecolare fotosensibile con rutenio come nucleo. Questo sistema può separare il trasferimento di elettroni, il trasferimento di protoni e i cambiamenti dell'ambiente acquatico per evitare interferenze causate da processi chimici complessi.
Sebbene l'esperimento non possa catturare direttamente la traiettoria di movimento del protone stesso, i ricercatori possono comunque ricostruire l'intero processo di reazione attraverso i cambiamenti nella struttura elettronica e nella disposizione atomica circostante.
I ricercatori ritengono che questo risultato non solo aiuterà a spiegare il meccanismo di conversione dell'energia in natura, ma potrebbe anche promuovere lo sviluppo della prossima generazione di tecnologie energetiche. Acquisendo una comprensione più approfondita di come i protoni e gli elettroni si trasferiscono insieme, in futuro gli scienziati potrebbero essere in grado di progettare catalizzatori, celle a combustibile e sistemi di stoccaggio dell’energia più efficienti.
Con la graduale messa in uso della nuova generazione di strutture laser a elettroni liberi LLCS-II, il gruppo di ricerca prevede di essere in grado di osservare in futuro processi di reazione chimica più complessi con una risoluzione temporale più elevata e persino di studiare direttamente le fasi chiave del trasferimento di energia nei sistemi di fotosintesi reali.
Gli esperti del settore hanno sottolineato che l'importanza di questo risultato non risiede solo nel vedere una reazione specifica, ma anche nello stabilire un nuovo metodo di osservazione. In passato, gli scienziati potevano studiare separatamente solo i cambiamenti elettronici o i cambiamenti della struttura molecolare, ma ora possono osservare simultaneamente la coevoluzione del centro di reazione e dell’ambiente circostante, il che apre una nuova finestra per la ricerca futura sui processi vitali e sui meccanismi di conversione dell’energia.
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