Bioingegneria: virus M13 per splittare l'acqua in idrogeno ed ossigeno | Neoteron

Bioingegneria: virus M13 per splittare l’acqua in idrogeno ed ossigeno

Un passo decisivo verso la conversione dell’acqua in idrogeno combustibile

Un team di ricercatori del MIT (Massachusetts Institute of Technology) ha scoperto un nuovo modo per imitare il processo attraverso cui le piante usano l’energia solare per dividere (splittare) l’acqua ed ottenere il carburante chimico necessario alla loro crescita. Il team ha utilizzato un virus opportunamente modificato come una sorta di impalcatura biologica che possa assemblare i componenti (su scala nanometrica) necessari per dividere una molecola di acqua in idrogeno e ossigeno.

Molecole di pigmento e catalizzatore si assemblano attorno al virus M13 modificato, a formare una struttura simile ad un nano-cavo elettrico

Dividere l’acqua nei suoi elementi costituenti è un modo per risolvere il problema di base dell’energia solare, ovvero il fatto che essa sia disponibile solo quando il sole splende. Utilizzando la luce del sole per ottenere idrogeno dall’acqua, questo può poi essere immagazzinato in una pila a combustibile che generi energia elettrica in caso di necessità, oppure tale idrogeno può essere impiegato per fare combustibili liquidi per auto e camion.

Altri ricercatori in passato hanno messo a punto sistemi che usano l’energia elettrica, magari ricavata da pannelli solari, per dividere le molecole di acqua, ma il nuovo sistema a base biologica salta i passaggi intermedi e utilizza la luce solare per alimentare direttamente la reazione.
L’anteprima della ricerca è stata pubblicata oggi, 11 aprile, su Nature Nanotechnology.

Il team, guidato da Angela Belcher, professoressa di scienze dei materiali ed ingegneria biologica al Germeshausen Center, ha ingegnerizzato il virus M13, un comune ed innocuo batteriofago, in modo che fosse capace di attrarre e legare molecole di un catalizzatore (in questo caso ossido di iridio) e di un pigmento biologico (porfirina coordinata a zinco). Il virus è diventato così, in virtù della forma filamentosa del fago M13, un dispositivo simile ad un cavo elettrico, capace di splittare in modo molto efficiente l’ossigeno dalle molecole d’acqua.

E’ risultato però che con il passare del tempo i virus-cavi si aggregano assieme perdendo la loro efficienza, così i ricercatori li hanno incapsulati in una matrice di microgel, di modo da assicurarne una distribuzione uniforme che mantenga la loro stabilità ed efficacia.

Mentre l’idrogeno gassoso ottenuto dall’acqua potrebbe semplicemente essere utilizzato come combustibile, è la scissione del ossigeno ad essere la semi-reazione più tecnicamente complessa (ed interessante) dell’intero processo – spiega la Belcher – così il suo team si è concentrato soprattutto su questa parte.

Le piante e i cianobatteri (chiamati anche impropriamente alghe azzurre) “hanno evoluto sistemi fotosintetici altamente organizzati che assicurano una efficiente ossidazione dell’acqua”, dice la Belcher.

Altri ricercatori hanno tentato di usare direttamente le parti fotosintetiche delle piante per sfruttare la luce solare, ma questi materiali spesso hanno seri problemi di stabilità strutturale.

Il team della Belcher invece, anzichè prendere in prestito i componenti diretti delle piante, ha deciso di adottarne gli stessi metodi: nelle cellule vegetali, pigmenti naturali sono utilizzati per assorbire la luce del sole, ed opportuni catalizzatori favoriscono poi la reazione di dissociazione dell’acqua. Questo è proprio il processo che Belcher e il suo team ha deciso di imitare.

Un sistema artificiale che emula la natura

Nel sistema sviluppato dai ricercatori, i virus agiscono semplicemente come una sorta di impalcatura, portando i pigmenti e i catalizzatori ad allinearsi con la giusta spaziatura che inneschi la reazione di dissociazione dell’acqua.

Porfirina, il pigmento naturale impiegato per assorbire l'energia solare

Il ruolo dei pigmenti è di “fungere da antenna per catturare la luce“, spiega Belcher, “e di trasferire tale energia per tutta la lunghezza del virus, come fosse un cavo elettrico: il virus, con legate le porfirine (appunto i pigmenti), raccoglie la luce in maniera molto efficace, e ciò porta ad una efficienza di produzione di ossigeno quadruplicata rispetto al non impiego di tale metodo.

I ricercatori sperano adesso di trovare un sistema simile, a base biologica, per condurre l’altra metà della reazione, ovvero quella che dà la produzione di idrogeno. Nel punto in cui si trova il sistema da loro sviluppato, gli atomi di idrogeno dell’acqua si trovano ad essere suddivisi nei loro componenti, ovvero protoni ed elettroni, ma un ulteriore sviluppo del metodo, già in lavorazione, potrebbe ritrasformare questi componenti in atomi e molecole di idrogeno.
Il team sta anche lavorando per trovare un materiale più comune ed economico che possa agire da catalizzatore, in modo da rimpiazzare il costoso e relativamente raro iridio usato nella ricerca. 

Le applicazioni sono lontane, ma la ricerca offre spunti molto interessanti

Thomas Mallouk, professore di chimica e fisica dei materiali presso la Pennsylvania State University (non coinvolto in questo lavoro) dice:

“Si tratta di una ricerca che risolve in maniera estremamente intelligente uno dei problemi più difficili della fotosintesi artificiale, cioè la organizzazione su scala nanometrica dei componenti, al fine di controllare la velocità di trasferimento degli elettroni.”

Ed aggiunge: “Esiste uno scoraggiante insieme di problemi da risolvere prima che questo o qualsiasi altro sistema di fotosintesi artificiale possa effettivamente essere utile per la conversione di energia.”

Per essere economicamente competitivo con gli altri approcci di sfruttamento dell’energia solare, egli dice, il sistema dovrebbe essere almeno 10 volte più efficiente della fotosintesi naturale, in grado di ripetere la reazione un miliardo di volte, ed usare materiali meno costosi.

“Tutto ciò è improbabile nel futuro prossimo” dice. “Tuttavia, l’idea di fondo presentata in questa ricerca in ultima analisi costituisce un altro importante pezzo del puzzle.”

La Belcher non ha fatto speculazioni riguardo quanto tempo potrebbe passare prima dello sviluppo di tale ricerca in un prodotto commerciale, ma ha detto che entro due anni prevede di avere un dispositivo prototipo in grado di eseguire tutto il processo di scissione dell’acqua in ossigeno e idrogeno, utilizzando un sistema autosufficiente e durevole.

Fonte: EurekAlert! | Nature Nanotechnology


  1. Angelo
    12 aprile 2010 a 18:58 | #1

    E se un virus simile si propagasse liberamente in mare e nei laghi e nei fiumi?
    Inventino prima il modo per neutralizzarlo istantaneamente e poi a sfuttarlo.

  2. Antoo
    12 aprile 2010 a 22:29 | #2

    @ Angelo:
    beh in realtà il virus M13 infetta solamente E.Coli, è molto comune ed oltretutto credo sia completamente manipolabile (geneticamente) per assicurare l’assenza di qualsiasi nocività per l’uomo.
    basti pensare che i fagi filamentosi (quindi anche M13) sono considerati la nuova frontiera per quanto riguarda lo sviluppo di vaccini e kit diagnostici, per gli indubbi vantaggi intrinsechi nelle loro caratteristiche..
    riguardo al rischio ecologico credo che non sussista: la reazione catalizzata sull’esterno del virus è operata da tutte le piante e tutti i microrganismi fotosintetici del mondo (cfr. Fotolisi), e non credo che la diffusione in giro per le acque di nanoparticelle che dissociano l’acqua sia così destabilizzante..anche considerando il fatto che per poter “sopravvivere” tali virus debbano infettare prima un batterio ospite..che non è che si trovino così capillarmente in giro per gli oceani del mondo..
    voi che ne pensate invece?
    ciao!

  3. Antoo
    14 aprile 2010 a 17:56 | #3

    Segnalo un’altra interessante notizia, proveniente dallo stesso laboratorio della Belcher al MIT:
    M13: un virus “elettrico” per la nuova generazione di batterie ricaricabili

    [..] Una volta che questa nuova tecnologia sarà commercializzata (speriamo presto) avremo a disposizione delle batterie ricaricabili che possano essere prodotte a partire da acqua, virus, metalli e solventi non tossici, e il cui smaltimento non impattare negativamente sull’ambiente dato che saranno in buona parte biodegradabili. [..]

  1. 26 aprile 2010 a 0:56 | #1

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