Nanomateriales y bacterias logran una fotosíntesis artificial eficiente

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Investigadores dicen que la combinación de bacterias con semiconductores a nanoescala abre un nuevo camino hacia la fotosíntesis artificial eficiente.

Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, dicen que mediante la combinación de materiales a nanoescala con bacterias, han abierto la puerta a una nueva forma de sistemas que podrían convertir eficientemente el dióxido de carbono, el agua y la luz solar en compuestos orgánicos útiles, similar a lo que las plantas hacen a través de la fotosíntesis.

Por el camino, dicen, el sistema podría convertirse en una forma comercialmente viable para producir productos químicos de alto valor como precursores de drogas utilizadas por la industria farmacéutica, o para almacenar energía renovable en forma de combustibles líquidos.

El objetivo de la fotosíntesis artificial altamente eficiente viene de hace tiempo, y hay muchos enfoques del problema, todos los cuales se enfrentan a obstáculos científicos.

Un enfoque general es depender de microorganismos llamados electrotróficos, que pueden ser inducidos a través de la aplicación de electricidad, para fabricar ciertos componentes químicos.

El nuevo sistema es el primero en el que los semiconductores, que son capaces tanto de capturar energía solar como transmitir electricidad a los microbios, han sido combinados directamente con bacterias, dice Peidong Yang, profesor de química y ciencia de materiales en la Universidad de California, Berkeley, e inventor del sistema.

Sistemas similares anteriores se han basado en paneles solares voluminosos para proveer de electricidad renovable.

En este caso, nanoalambres semiconductores capturan energía de la luz solar y pasan electrones a las bacterias electrotróficos, que se encuentran anidadas dentro de los cables.

Los electrotróficos utilizan los electrones para convertir el dióxido de carbono y agua en componentes químicos útiles. Estos se pasan entonces a E. coli genéticamente modificadas, que a su vez hacen una amplia gama de productos.

Este es el primer ejemplo práctico de una interfaz tan directa entre las bacterias y materiales semiconductores para la fotosíntesis artificial, dice Yang.

Él y sus colegas demostraron que el sistema podría hacer butanol, un polímero usado en plásticos biodegradables, y tres precursores farmacéuticos.

Podría, en principio, ser utilizado para hacer muchos otros productos, incluyendo productos químicos que son valiosos en volúmenes relativamente pequeños, a diferencia del combustible, que deben ser producido a muy gran escala para ser económico.

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Eso no es suficiente para que el proceso sea comercialmente viable, pero él dice que los nuevos materiales semiconductores con los que su grupo está trabajando actualmente deben hacer el proceso más competitivo.

“La eficiencia es algo que podemos mejorar en el futuro cercano”, dice.

Una ventaja potencial importante de este diseño en particular, además de la matriz de nanocables de captura de luz, es que puede ser utilizado en presencia de oxígeno, dice Eric Toone, profesor de bioquímica y química en la Universidad de Duke y ex director de electrocombustibles del programa ARPA-E, que se centra en el desarrollo de tecnologías que utilizan organismos electrotróficos para hacer combustible.

Las bacterias utilizadas no pueden tolerar natural de oxígeno, lo que ha hecho difícil de utilizar a gran escala, dice Toone. En el nuevo diseño, dice Yang, los nanocables “protegen” a las bacterias de oxígeno.

Sin embargo, los sistemas basados en microbios enfrentan a retos importantes debido a que las bacterias deben mantenerse con vida, e incluso, en el mejor de los casos no viven mucho tiempo. Y en comparación con los catalizadores químicos, las bacterias son “motores” lentos, dice Nate Lewis, profesor de química en Caltech.

De hecho, dice Yang, el objetivo final de su equipo es un sistema sintético que sea más estable que el sistema basado en bacterias.

Pero por el momento, dice, no hay mejores catalizadores que las bacterias para convertir el dióxido de carbono en compuestos útiles.

Él y sus colegas ahora están analizando de cerca la forma en que los materiales semiconductores transfieren electrones a los microbios.

La investigación de esta interfaz semiconductora de bacterias podría producir información útil hacia el diseño de un catalizador sintético que podría sustituir a los insectos.

Fuente: Mashable