Piccolo ma potente: produzione miniaturizzata di idrogeno
"Ci siamo posti la domanda biologicamente un po' folle se non fosse possibile trovare una scorciatoia e lasciare che la ferredossina produca idrogeno"
I ricercatori hanno creato un biocatalizzatore in miniatura per la produzione di idrogeno. Funziona in modo efficiente con gli elettroni della fotosintesi.
Gli enzimi naturali che producono idrogeno sono grandi ed estremamente sensibili all'ossigeno. Ciò rende difficile il loro utilizzo per la produzione applicata di idrogeno verde. I ricercatori del gruppo di Fotobiotecnologia della Ruhr University Bochum e i partner dell'Università di Potsdam, in Germania, hanno trovato un modo per aggirare questo problema: hanno trasferito il centro catalitico contenente ferro di uno di questi enzimi - la [FeFe]-idrogenasi - in una ferredossina. Questa piccola biomolecola funge da trasportatore di elettroni in tutti gli organismi viventi. Il bioibrido artificiale può produrre in modo efficiente idrogeno utilizzando gli elettroni dei sistemi biologici alimentati dalla luce. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Advanced Science il 17 giugno 2025.
Una scorciatoia per la produzione di idrogeno
L'idrogeno è considerato un vettore energetico pulito del futuro, ma rimane difficile produrlo in modo sostenibile. Gli enzimi naturali noti come idrogenasi sono biocatalizzatori altamente efficienti nella produzione di idrogeno, ma non sono ancora utilizzati a livello industriale. Con 600 aminoacidi, sono molto grandi e complessi e spesso estremamente sensibili all'ossigeno. Inoltre, richiedono elettroni altamente energetici che dovrebbero essere prodotti in modo sostenibile.
Le [FeFe]-idrogenasi utilizzano una molecola contenente ferro per produrre idrogeno. Questo cofattore funziona in modo simile a un catalizzatore di platino e può essere sintetizzato chimicamente. Tuttavia, come molecola isolata è inerte e richiede l'ambiente proteico per raggiungere la massima efficacia.
Semplificare il biocatalizzatore
I ricercatori della Ruhr University Bochum hanno voluto semplificare il biocatalizzatore idrogenasi, molto complesso, per facilitarne l'integrazione nei processi industriali. In alcune microalghe, le idrogenasi sono alimentate con gli elettroni forniti dalla fotosintesi. La piccola proteina ferredoxina, che contiene anche ferro, trasferisce gli elettroni. La ferredoxina stessa riceve gli elettroni direttamente dalla catena di trasporto degli elettroni fotosintetici.
"Ci siamo posti la domanda biologicamente un po' folle se non fosse possibile trovare una scorciatoia e lasciare che la ferredoxina produca idrogeno", spiega Vera Engelbrecht, uno dei due autori principali dello studio. Con grande sorpresa, i ricercatori sono riusciti a identificare ferredossine in grado di produrre idrogeno in combinazione con il cofattore idrogenasi. "Tuttavia, abbiamo dovuto aggirare le vie di sintesi biologiche", spiega Yiting She, l'altro autore principale. "Solo specifiche ferredossine potevano collaborare con il cofattore. Scoprirlo è stato un viaggio difficile ma entusiasmante".
Interazione riuscita tra proteina e catalizzatore
L'elevata attività del bioibrido ha sorpreso i ricercatori. "Sappiamo che l'interazione tra proteina e cofattore nelle [FeFe]-idrogenasi naturali è finemente regolata", spiega il professor Thomas Happe, che ha supervisionato il progetto. In collaborazione con i partner dell'Università di Potsdam, la nuova ferredossina idrogenasi è stata quindi caratterizzata spettroscopicamente e con calcoli quantomeccanici. "Sembra che la proteina ferredossina fornisca un ambiente chimicamente favorevole per il catalizzatore idrogenasi", conclude Happe. Per ottenere questo risultato, il cofattore naturale della ferredossina deve essere sostituito con il cofattore dell'idrogenasi attraverso complesse vie di sintesi. "Nonostante ciò, la nuova proteina può ancora ricevere elettroni dai componenti della fotosintesi", afferma Yiting She. Si tratta quindi di un importante studio di fattibilità per un piccolo metalloenzima artificiale che imita le idrogenasi naturali alimentate dalla luce, ma con meno componenti e impalcature più piccole.
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