La fotosintesi artificiale può produrre cibo senza luce solare

Gli scienziati stanno
La ricerca di una fotosintesi artificiale è finalizzata ad ottenere una produzione alimentare più efficiente dal punto di vista energetico qui sulla Terra e un giorno forse su Marte.

La fotosintesi si è evoluta nelle piante per milioni di anni per trasformare l’acqua, l’anidride carbonica e l’energia della luce solare in biomassa vegetale e negli alimenti che mangiamo. Questo processo, tuttavia, è molto inefficiente, con solo l’1% circa dell’energia trovata nella luce solare che finisce nella pianta. Gli scienziati dell’UC Riverside e dell’Università del Delaware hanno trovato un modo per aggirare del tutto la necessità della fotosintesi biologica e creare cibo indipendente dalla luce solare utilizzando la fotosintesi artificiale.
La ricerca, pubblicata su Nature Food (https://www.nature.com/articles/s43016-022-00530-x), utilizza un processo elettrocatalitico in due fasi per convertire anidride carbonica, elettricità e acqua in acetato, la forma del componente principale dell’aceto. Gli organismi produttori di cibo consumano quindi acetato al buio per crescere. Combinato con i pannelli solari per generare l’elettricità per alimentare l’elettrocatalisi, questo sistema ibrido organico-inorganico potrebbe aumentare l’efficienza di conversione della luce solare in cibo, fino a 18 volte più efficiente per alcuni alimenti.
“Con il nostro approccio abbiamo cercato di identificare un nuovo modo di produrre cibo che potesse superare i limiti normalmente imposti dalla fotosintesi biologica”, ha affermato l’autore corrispondente Robert Jinkerson, assistente professore di ingegneria chimica e ambientale della UC Riverside.
Per integrare tutti i componenti del sistema insieme, l’uscita dell’elettrolizzatore è stata ottimizzata per supportare la crescita degli organismi per la produzione alimentare. Gli elettrolizzatori sono dispositivi che utilizzano l’elettricità per convertire materie prime come l’anidride carbonica in molecole e prodotti utili. La quantità di acetato prodotta è stata aumentata mentre la quantità di sale utilizzata è stata ridotta, determinando i livelli di acetato più alti mai prodotti in un elettrolizzatore fino ad oggi.
“Utilizzando una configurazione di elettrolisi di CO2 in tandem all’avanguardia sviluppata nel nostro laboratorio, siamo stati in grado di ottenere un’elevata selettività nei confronti dell’acetato a cui non è possibile accedere attraverso percorsi di elettrolisi di CO2 convenzionali”, ha affermato l’autore corrispondente Feng Jiao dell’Università del Delaware.
Gli esperimenti hanno dimostrato che un’ampia gamma di organismi per la produzione alimentare può essere coltivata al buio direttamente sull’uscita dell’elettrolizzatore ricco di acetato, tra cui alghe verdi, lievito e micelio fungino che producono funghi. La produzione di alghe con questa tecnologia è circa quattro volte più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alla coltivazione fotosintetica. La produzione di lievito è circa 18 volte più efficiente dal punto di vista energetico rispetto a come viene generalmente coltivata utilizzando lo zucchero estratto dal mais.
“Siamo stati in grado di coltivare organismi per la produzione alimentare senza alcun contributo dalla fotosintesi biologica. Tipicamente, questi organismi sono coltivati su zuccheri derivati da piante o input derivati dal petrolio, che è un prodotto della fotosintesi biologica avvenuta milioni di anni fa. Questa tecnologia è un metodo più efficiente per trasformare l’energia solare in cibo, rispetto alla produzione alimentare che si basa sulla fotosintesi biologica”, ha affermato Elizabeth Hann, dottoranda presso il Jinkerson Lab e co-autrice principale dello studio.
È stato anche studiato il potenziale per l’utilizzo di questa tecnologia per coltivare piante coltivate. Fagiolo dall’occhio, pomodoro, tabacco, riso, colza e pisello sono stati tutti in grado di utilizzare il carbonio dell’acetato se coltivati al buio.
“Abbiamo scoperto che un’ampia gamma di colture potrebbe prendere l’acetato che abbiamo fornito e costruirlo nei principali mattoni molecolari di cui un organismo ha bisogno per crescere e prosperare. Con un po’ di allevamento e ingegneria su cui stiamo attualmente lavorando, potremmo essere in grado di coltivare colture con acetato come fonte di energia aggiuntiva per aumentare i raccolti”, ha affermato Marcus Harland-Dunaway, candidato al dottorato presso il Jinkerson Lab e co-autore principale di lo studio.
Liberando l’agricoltura dalla completa dipendenza dal sole, la fotosintesi artificiale apre le porte a innumerevoli possibilità di coltivazione di cibo nelle condizioni sempre più difficili imposte dal cambiamento climatico antropogenico. La siccità, le inondazioni e la ridotta disponibilità di terra rappresenterebbero una minaccia minore per la sicurezza alimentare globale se le colture per l’uomo e gli animali crescessero in ambienti controllati e meno dispendiosi in termini di risorse. Le colture potrebbero anche essere coltivate in città e altre aree attualmente inadatte all’agricoltura e persino fornire cibo ai futuri esploratori spaziali.
“L’uso di approcci di fotosintesi artificiale per produrre cibo potrebbe essere un cambio di paradigma per il modo in cui nutriamo le persone. Aumentando l’efficienza della produzione alimentare, è necessaria meno terra, diminuendo l’impatto dell’agricoltura sull’ambiente. E per l’agricoltura in ambienti non tradizionali, come lo spazio, la maggiore efficienza energetica potrebbe aiutare a nutrire più membri dell’equipaggio con meno input”, ha affermato Jinkerson.
Questo approccio alla produzione alimentare è stato presentato alla Deep Space Food Challenge della NASA, dove ha vinto la Fase I. La Deep Space Food Challenge è una competizione internazionale in cui vengono assegnati premi alle squadre che creano tecnologie alimentari innovative e rivoluzionarie che richiedono input minimi e massimizzano la produzione di cibo sicuro, nutriente e appetibile per missioni spaziali di lunga durata.
“Immagina un giorno vasi giganti che coltivano piante di pomodoro nell’oscurità e su Marte: quanto sarebbe più facile per i futuri marziani?” ha affermato la coautrice Martha Orozco-Cárdenas, direttrice del Centro di ricerca sulla trasformazione delle piante lungo il fiume della UC.