Imitan a la fotosíntesis con una 'hoja artificial'

Cosechar la luz solar es un truco que las plantas dominan desde hace más de mil millones de años, usando la energía solar para alimentarse del aire y el agua de su entorno en el proceso que conocemos como fotosíntesis.

Los científicos también han descubierto la manera de aprovechar la energía solar, usando la electricidad de células fotovoltaicas para producir hidrógeno que se puede utilizar más adelante en pilas de combustible. Pero el hidrógeno no ha logrado hacerse popular como combustible práctico para los coches o para generar energía en un mundo diseñado en torno a los combustibles líquidos.

Ahora los científicos de un equipo que incluye la Facultad de Artes y Ciencias, la Escuela de Medicina y el Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología, todos ellos de la Universidad de Harvard (Cambridge, Massachusetts, EE.UU.), han creado un sistema que utiliza bacterias para convertir la energía solar en un combustible líquido. Su trabajo integra una «hoja artificial», que utiliza un catalizador para hacer que la luz solar divida el agua en hidrógeno y oxígeno, con una bacteria diseñada para convertir el dióxido de carbono+hidrógeno en el combustible líquido isopropanol.

Los resultados se han publicado en PNAS. Pamela Silver, catedrática de Bioquímica y Biología de Sistemas en la Escuela de Medicina y autora del trabajo, llama al sistema «hoja biónica», un guiño a la hoja artificial inventada por el autor principal del artículo, Daniel Nocera, profesor de Energía de la Universidad.

«Esta es una prueba de concepto de que hay una forma de cosechar la energía solar y almacenarla en forma de combustible líquido», explica Silver, que fue una de las fundadoras de Wyss, en la información de Harvard.

El comienzo

Silver y Nocera comenzaron a colaborar hace dos años, poco después de Nocera llegara a Harvard procedente de MIT. Compartían un interés en la «energía personalizada», es decir, producir la energía a nivel local, frente al sistema actual, que en el ejemplo del petróleo significa que la producción está centralizada y luego se envía a las estaciones de servicio. La energía local sería interesante para los países en desarrollo.

«No es que estamos tratando de hacer un sistema super-enrevesado», explica Silver. «Estamos buscando la simplicidad y la facilidad de uso.»

En una línea similar, la hoja artificial de Nocera utiliza catalizadores preparados a partir de materiales que son baratos y fácilmente accesibles. «Los catalizadores que hice están muy bien adaptados y son compatibles con las condiciones de crecimiento que necesitan los organismos vivos, como una bacteria», señala Nocera.

En el nuevo sistema, una vez que la hoja artificial produce oxígeno e hidrógeno, el hidrógeno alimenta a una bacteria llamada Ralstonia eutropha. Una enzima transforma el hidrógeno en protones y electrones, y luego los combina con dióxido de carbono para la replicación -hacer más células-. La bacteria

A continuación, basándose en los descubrimientos realizados previamente por Anthony Sinskey, profesor de microbiología y de ciencias de la salud y tecnología en MIT (Massachusetts Institute of Technology), se diseñan metabólicamente nuevas vías en la bacteria para hacer isopropanol.

«La ventaja de hacer una interfaz entre el catalizador inorgánico y la biología es que tienes una plataforma sin precedentes para la síntesis química, que no se consigue con catalizadores inorgánicos solamente», explica Brendan Colón, un estudiante de doctorado en biología de sistemas en el laboratorio de Silver, y co-autor del artículo. «La producción de energía solar a química es el corazón de este trabajo, y hasta ahora hemos estado utilizando plantas para eso, pero estamos usando la capacidad sin precedentes de la biología para hacer un montón de compuestos.»

Los mismos principios se podrían emplear para producir medicamentos como vitaminas en pequeñas cantidades, añade Silver.

El reto inmediato del equipo es aumentar la capacidad de la hoja biónica para transformar la energía solar en biomasa mediante la optimización del catalizador y las bacterias. Su meta es un 5 por ciento de eficiencia, en comparación con la tasa del 1 por ciento de eficiencia de la fotosíntesis natural.

«Estamos casi a una tasa del 1 por ciento de eficiencia en la conversión de la luz solar en isopropanol», explica Nocera. «Ha habido 2.600 millones años de evolución, y Pam[ela] y yo trabajando juntos un año y medio ya hemos logrado la eficiencia de la fotosíntesis.» Referencia bibliográfica:

Joseph P. Torella, Christopher J. Gagliardi, Janice S. Chen, D. Kwabena Bediako, Brendan Colón, Jeffery C. Way, Pamela A. Silver, Daniel G. Nocera: Efficient solar-to-fuels production from a hybrid microbial–water-splitting catalyst system. Proceedings of the National Academy of Sciences (2015). DOI: 10.1073/pnas.1424872112