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Da molti anni all’orizzonte si staglia l’idrogeno rinnovabile, che promette di diventare il vettore energetico pulito per eccellenza. L’utilizzo dell’elettricità per scindere l’idrogeno dall’acqua ci consentirebbe di catturare l’energia prodotta in modo intermittente da fonti rinnovabili come il sole e il vento, rendendone possibili lo stoccaggio e un semplice trasporto; si tratta di un metodo dotato del potenziale di ridurre la dipendenza del mondo da carbone, petrolio e gas, affrontando al contempo la sfida del riscaldamento globale.
Come conseguire una produzione di idrogeno su larga scala che sia al tempo stesso rispettosa dell’ambiente e conveniente dal punto di vista economico? Rispondere a questa domanda è essenziale per raggiungere l’obiettivo dell’UE di realizzare un’economia sostenibile e neutrale in termini climatici.
All’Università di Uppsala, in Svezia, Gustav Berggren, coordinatore del progetto CaBiS, sta lavorando allo sviluppo di una soluzione innovativa che prevede la sostituzione dei metalli rari necessari per i catalizzatori utilizzati nell’elettrolisi, come il platino e l’iridio, con un metodo alternativo in cui i processi biologici naturali si fondono alla chimica di sintesi.
Il fulcro dell’approccio è costituito da metalloenzimi semisintetici, che replicano il meccanismo con cui l’idrogeno viene prodotto nelle cellule viventi. Questo campo di studio è stato recentemente incentivato dal Premio Nobel per la Chimica del 2018, assegnato a Frances Arnold in virtù del suo lavoro basato sull’evoluzione diretta al fine di ingegnerizzare gli enzimi.
«Ci avvaliamo di strumenti di chimica sintetica per semplificare la preparazione dell’enzima, nonché per generare versioni modificate dello stesso che chiamiamo “mutanti organometallici”», spiega Berggren. Questa metodologia risulta in contrasto con altri tipi di tentativi, che spesso richiedono la creazione di enzimi di trasformazione dell’idrogeno da zero.
Il team di Berggren è riuscito a incorporare metalloenzimi artificiali funzionali nel citoplasma dei batteri, fornendo un raro esempio di enzimi artificiali funzionanti all’interno di cellule viventi. I progressi compiuti dal progetto hanno accelerato il ritmo della ricerca, aprendo nuove strade per l’esplorazione dei sistemi fotobiologici di produzione dell’idrogeno. Osserva Berggren: «Abbiamo raggiunto questo obiettivo a un ritmo notevolmente più rapido rispetto ai metodi biologici utilizzati tradizionalmente.» Questa capacità non ha solamente permesso di incrementare la comprensione del metabolismo dell’idrogeno, ma ha altresì contribuito alla scoperta di nuove idrogenasi in vari organismi.
Applicazioni pionieristiche e direzioni future
I risultati aprono la strada alla produzione fotobiologica di idrogeno, ovvero l’impiego di batteri fotosintetici per ottimizzare tale generazione attraverso la luce solare. «Stiamo utilizzando questo potente strumento allo scopo di ottimizzare l’efficienza della produzione di idrogeno a partire da cellule contenenti idrogenasi, prestando particolare attenzione all’ottimizzazione del catalizzatore enzimatico stesso e alla sua integrazione nel flusso cellulare di elettroni», afferma Berggren.
Le implicazioni del lavoro, tuttavia, vanno al di là del carburante rinnovabile: le scoperte del team in ambito di tecnologia dell’idrogenasi offrono infatti potenziali applicazioni in vari campi, tra cui le scienze mediche.
Le metodologie sviluppate nel corso del progetto CaBiS vengono ora applicate al fine di studiare il metabolismo dell’idrogeno nell’intestino umano. Berggren ne mette in evidenza le potenzialità in termini di impatto: «Si prevede che una migliore comprensione del metabolismo dei gas in questo contesto eserciterà un impatto significativo sulle scienze della vita, permettendo potenzialmente la progettazione di nuovi farmaci e trattamenti medici.»
Nonostante questi sviluppi promettenti, Berggren riconosce il fatto che la traduzione di queste scoperte in applicazioni pratiche richiederà ulteriori ricerche e ottimizzazioni. «Per far decollare queste tecnologie, dobbiamo anche ottimizzare la progettazione dei bioreattori in modo da garantire un’elevata sicurezza e un’efficiente cattura della luce, nonché una raccolta e un trattamento a valle di qualità dell’idrogeno gassoso prodotto», aggiunge.
Il progetto CaBiS, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca, rappresenta senza dubbio un significativo passo in avanti nella ricerca volta ad assicurare la produzione sostenibile di idrogeno. Combinando chimica sintetica d’avanguardia con i sistemi biologici presenti in natura, Berggren e la sua équipe hanno creato una potente piattaforma per le innovazioni future, che continuano ancor oggi a perfezionare.