La búsqueda de energía sostenible se ha convertido en un desafío central para la sociedad.
Con el fin de satisfacer las demandas de energía en constante expansión sin dañar aún más el clima global, los investigadores están aprovechando los procesos naturales que han proporcionado a las plantas y muchas formas animales su fuente de energía durante miles de millones de años.
Su secreto es la conversión de energía de luz radiante en energía química en el proceso de fotosíntesis.
En una nueva investigación la autora principal Christine Lewis y sus colegas de ASU describen un dispositivo híbrido patentado:
Parte organismo vivo, parte biobatería, capaz de producir energía almacenada aumentando el flujo de energía bajo la luz, condiciones en las que normalmente se inhibe la fotosíntesis natural.
El avance de tales tecnologías ofrece un camino verde para la producción de una amplia gama de productos útiles, incluidos combustibles para el transporte, agroquímicos, productos terapéuticos, cosméticos, plásticos y productos químicos especiales, así como suplementos para humanos y animales.
El nuevo estudio muestra que los microbios fotosintéticos modificados, en este caso, las cianobacterias, pueden recibir electrones de una fuente externa y usarlos para impulsar reacciones químicas que eventualmente podrían aprovecharse para aplicaciones humanas.
Los investigadores llaman a este enfoque electrofotosíntesis microbiana o MEPS.
“Este proyecto implica desbloquear los misterios relacionados con la transferencia de energía.
Específicamente, trabajamos para unir la energía artificial con la fotosíntesis natural aprovechando la segunda mitad de la cadena de transporte de electrones fotosintéticos”, dice Lewis.
“Los objetivos de la investigación son tener la capacidad de activar la fotosíntesis a voluntad, eventualmente hacerla más eficiente y producir productos energéticos estables”.
La receta básica para la fotosíntesis natural implica solo unos pocos ingredientes clave: agua, luz solar y CO2.
Las células fotosintéticas actúan como pequeñas fábricas para la producción de glucosa, que luego se convierte en ATP, la moneda de energía primaria de la célula.
En el proceso, el oxígeno se produce como un subproducto respiratorio, pero puede resultar dañino para el proceso fotosintético cuando se producen especies dañinas de radicales de oxígeno con luz de alta intensidad.
Aunque la fotosíntesis es ideal para satisfacer las necesidades energéticas de las plantas y otros organismos fotosintéticos, la velocidad a la que la luz se convierte en energía química útil es demasiado baja para satisfacer las necesidades energéticas humanas actuales.
Los investigadores han buscado durante mucho tiempo formas de aprovechar la fotosíntesis natural y, al mismo tiempo, mejorarla para encontrar soluciones energéticas neutras en carbono.
Hay varios factores limitantes importantes en términos de eficiencia de conversión de energía en la fotosíntesis natural.
Primero, los organismos fotosintéticos usan solo una pequeña porción del espectro de luz emitida por el sol, a saber, la luz roja visible.
En segundo lugar, la tasa de fijación de carbono es demasiado lenta para aplicaciones prácticas.
Aumentarla requiere un impulso en la tasa de electrones que se mueven a través de la cadena de transporte.
Finalmente, los organismos fotosintéticos solo pueden manejar una cantidad limitada de electrones excitados por el sol a la vez.
Si la cadena de transporte de electrones se alimenta con demasiados a la vez, el proceso puede detenerse debido al daño de la luz, inhabilitando o matando a la célula.
Esta limitación en la eficiencia energética se debe principalmente a un componente clave en la maquinaria de transporte de electrones de la célula, un complejo proteico conocido como fotosistema II (PS II).
En el nuevo estudio, el sistema MEPS se describe utilizando una cianobacteria modificada genéticamente unida a un cátodo externo.
Las cianobacterias utilizadas se rediseñaron en el laboratorio del coautor Wim Vermaas para llevar a cabo ciclos fotosintéticos de electrones sin un componente del fotosistema II.
Con la ayuda de mediadores químicos, los electrones se transportan desde el cátodo del dispositivo a la cadena de transporte de electrones de la cianobacteria.
Debido a que el fotosistema II vulnerable a la luz ha sido eliminado, el proceso fotosintético se lleva a cabo a través de un camino alternativo, a saber, a través del fotosistema I.
Los resultados verificaron que la fotosíntesis se puede llevar a cabo utilizando un suministro externo de electrones que alimentan la cadena de transporte de electrones, y se puede realizar en presencia de luz de intensidad extremadamente alta.
“Una de mis prioridades como parte del equipo fue encontrar el mediador electroquímico adecuado para mover los electrones hacia la celda”, dijo Torres.
“Creo que uno de los aspectos más destacados fue darnos cuenta de que hemos aliviado algunas de las mayores limitaciones de Synechocystis (cianobacterias) eliminando el fotosistema II para el sistema y dándoles electrones de un electrodo“.
El sistema MEPS podría potencialmente utilizar las células solares actualmente disponibles para proporcionar los electrones externos necesarios para impulsar las reacciones fotosintéticas.
La energía fotovoltaica podría suministrar electrones desde longitudes de onda desde cero hasta miles de nanómetros, proporcionando un espectro mucho más amplio para la recolección de luz que el que normalmente está disponible para la fotosíntesis natural.
El proyecto, de seis años en desarrollo, representa un crisol de disciplinas científicas, incluidas la microbiología, la ingeniería, la bioquímica, la electroquímica, la fotoquímica y la física.
“Para el año 2050, con la expansión global avanzando al ritmo actual, nuestras necesidades energéticas superarán nuestro suministro.
Sin embargo, podemos actuar ahora para aprender cómo proporcionar energía eficiente y más limpia”, dice Lewis.
“Mi objetivo es contribuir al próximo ‘avance’ que ayudará a hacer de esta gran canica azul un lugar mejor“.
Fuente: ACS
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