Gli organismi possono produrre energia dall'aria
I risultati indicano nuove possibilità per la produzione di energia sostenibile
Ricercatori dell'Università di Berna, in collaborazione con ricercatori australiani e neozelandesi, hanno ricreato in laboratorio un importante processo che consente agli organismi di ottenere energia direttamente dai componenti presenti nell'aria. Ciò conferma che alcuni organismi, come i batteri, possono effettivamente vivere di sola aria, senza dipendere dalla luce solare o da altre fonti di energia. I risultati indicano nuove possibilità per la produzione di energia sostenibile.
L'idrogeno è presente nella nostra atmosfera solo come gas in tracce, in una concentrazione dello 0,00005%. La concentrazione rimane pressoché costante, nonostante 70 milioni di tonnellate di idrogeno prodotto di recente ogni anno, principalmente attraverso processi fotochimici e produzione umana. Il motivo di questa costanza non è stato chiaro per molto tempo, ma ora si sa che la maggior parte viene assorbita da microrganismi come i batteri del suolo, che utilizzano l'idrogeno come fonte di energia. Enzimi specializzati, noti come idrogenasi, catturano le molecole di idrogeno estremamente rare dall'aria e le convertono in energia.
I ricercatori dell'Università di Berna, insieme ai colleghi dell'Università di Otago, della Queensland University of Technology, della Monash University e dell'Università di Melbourne, sono riusciti per la prima volta a ricreare in laboratorio il processo teorico di produzione di energia da parte degli organismi a partire dall'idrogeno presente nell'aria. I risultati, appena pubblicati sulla rivista scientifica Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), forniscono la prima prova che il processo ha effettivamente luogo e spiegano, tra l'altro, perché alcuni organismi possono sopravvivere a lungo senza energia dal sole o da altre fonti energetiche.
Idrogeno e ossigeno reagiscono per formare acqua e rilasciare energia
Nelle lezioni di chimica, questo processo di rilascio di energia viene classicamente dimostrato con la reazione ossidrica. Due parti di idrogeno e una di ossigeno vengono mescolate in un palloncino e accese. La reazione produce un forte botto e il prodotto della reazione è l'acqua. Il forte botto dimostra che la combinazione di questi due gas è molto ricca di energia, ma richiede un'energia iniziale sotto forma di calore. Christoph von Ballmoos, leader del gruppo di ricerca presso il Dipartimento di Chimica, Biochimica e Scienze Farmaceutiche dell'Università di Berna e iniziatore e ultimo autore dello studio, spiega: "Fondamentalmente la stessa reazione avviene nella cellula batterica. Tuttavia, è strettamente catalizzata da enzimi e non richiede un'accensione iniziale. La reazione nei batteri è suddivisa in almeno tre fasi, in modo da immagazzinare l'energia rilasciata sotto forma di energia cellulare ATP invece di perderla come calore, come nell'esperimento con l'ossidrogeno".
L'ATP (adenosina trifosfato) è la più importante fonte di energia nella cellula e viene utilizzata per numerosi compiti, come l'assunzione di cibo o la produzione di DNA e proteine. L'ATP agisce come una piccola batteria ricaricabile, che si rigenera dopo l'uso.
Per verificare se questo processo teorico possa effettivamente avvenire negli organismi, i ricercatori hanno ricostruito una catena respiratoria minima e sintetica a partire da componenti purificati. Von Ballmoos afferma: "Negli esseri umani, la respirazione cellulare avviene nei mitocondri e converte l'energia del cibo in ATP. Nel processo, gli elettroni vengono gradualmente trasferiti da molecole ricche di energia all'ossigeno. L'energia così liberata viene utilizzata per azionare un ciclo protonico, che genera ATP per mezzo di una nanoturbina". Nello studio attuale, i ricercatori hanno prodotto una catena respiratoria minima e sintetica a partire da soli tre enzimi incorporati in una membrana lipidica artificiale - uno dei quali (l'idrogenasi) proviene dall'Australia, mentre gli altri due (pompa protonica e nanoturbina) da Berna. "Una difficoltà di questo esperimento che siamo riusciti a superare è stata quella di incorporare le proteine nella membrana in modo tale che i protoni vengano pompati nella giusta direzione", spiega Stefan Moning, secondo autore dello studio e dottorando presso il Dipartimento di Chimica, Biochimica e Scienze Farmaceutiche dell'Università di Berna.
La vita dall'aria è possibile
Gli esperimenti supportano la teoria secondo cui alcuni organismi possono produrre l'energia di cui hanno bisogno per vivere solo dai componenti dell'aria. "Sebbene l'idrogeno sia presente nell'aria in quantità estremamente ridotte, i tre enzimi riescono a conservare l'energia della reazione e a convertirla in ATP. Questo è ancora più impressionante se si considera che l'ossigeno è 400.000 volte più abbondante nell'aria rispetto all'idrogeno, lontano dalle condizioni ideali della reazione ossidrica. Sebbene il processo sia lento, è sufficiente a tenere a galla un organismo nei momenti difficili, come abbiamo calcolato", spiega von Ballmoos.
"Questo processo non solo spiega perché la concentrazione di idrogeno nell'atmosfera rimane costante, ma anche perché la vita è possibile nell'arido deserto antartico nonostante l'assenza di molecole organiche o perché gli organismi possono sopravvivere per lunghi periodi senza una fonte di energia", afferma Sarah Soom, prima autrice dello studio ed ex studentessa di master presso il Dipartimento di Chimica, Biochimica e Scienze Farmaceutiche dell'Università di Berna. "Si presume che altri gas in tracce presenti nell'aria, come il monossido di carbonio o il metano, consentano processi simili. Ma ora è stato dimostrato sperimentalmente per la prima volta con l'idrogeno. L'idea che si possa vivere di aria è affascinante", afferma von Ballmoos.
La reazione consente la produzione di energia sostenibile
La reazione dell'idrogeno con l'ossigeno ha come unico prodotto di scarto l'acqua pura. "Questo rende il metodo una delle forme più ecologiche di produzione di energia, paragonabile a quella prodotta dalla luce solare", spiega Soom.
"La velocità di produzione di ATP può essere aumentata di molte volte se l'idrogeno è presente in concentrazioni più elevate. Se si riuscisse a raggiungere questo obiettivo, ad esempio attraverso la scissione dell'acqua catalizzata dalla luce, il processo potrebbe stabilire nuovi standard per la produzione di ATP nella biologia sintetica", afferma von Ballmoos. La produzione continua e sostenibile di ATP è importante, ad esempio, per la produzione di farmaci supportati da enzimi o per comprendere l'origine della vita in sistemi modello. "Ci sono ancora molte domande senza risposta e la catena respiratoria sintetica può essere ulteriormente ottimizzata. Tuttavia, il lavoro rappresenta una pietra miliare verso la fattibilità e un inizio per ulteriori ed entusiasmanti applicazioni potenziali", conclude von Ballmoos.
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