El suministro y almacenamiento de electricidad se ha convertido en una labor costosa. La energía fotovoltaica y la de combustión de hidrocarburos son las principales en el mundo. Esta necesidad impulsó a un grupo de investigadores a diseñar bacterias fotosintéticas para que, empleando energía solar, generen combustible.
La necesidad de crear bacterias fotosintéticas
Desde hace más de 3 millones de años la naturaleza ha estado generando combustible mediante el uso de luz solar, a través de la fotosíntesis. Este proceso involucra un amplio y complejo grupo de proteínas que es complicado preservar fuera de la célula. Por su parte, en el interior de la célula se efectúa un consumo rápido de proteínas, necesarias para el crecimiento de las células.
Científicos de la Universidad de Kiel se enfrentaron al gran desafío del diseño de un modelo de fotosíntesis que pueda emplearse para la producción de combustible. Modificaron las proteínas fotosintéticas para cultivar bacterias que produzcan hidrógeno al estar expuestas a la luz.
Hidrógeno a nivel atómico. Crédito: Pixabay
Bacterias fotosintéticas
Las cianobacterias son bacterias que emplean la fotosíntesis oxigénica para generar hidrógeno en corto tiempo, pero en cantidades abundantes. La fotosíntesis oxigénica que desarrollan las cianobacterias requiere de un agente reductor (o fuente electrones), que por lo general es el agua (H2O). Cuando toma el hidrógeno (H+) del agua (H2O) se liberan átomos de oxígeno al medio.
Algunas proteínas que participan en la generación de hidrógeno son frágiles ante el oxígeno y se inactivan en presencia de él. De esta manera, se detiene la producción de hidrógeno manteniendo regulado el sistema fotosintético celular.
Mantener activa la producción de hidrógeno
El objetivo principal era rediseñar una estructura de proteínas involucradas para mantener activa la producción de hidrógeno. El reto consistía en que la enzima que genera hidrógeno solo se activara si existe un excedente de electrones.
Los electrones fluyen de manera óptima a una distancia determinada de su fuente, y la enzima generadora de hidrógeno por lo general se enlaza en un lugar no conveniente.
Los científicos eliminaron los lugares de enlace de las proteínas con moléculas de H2O, quien era proveedor de electrones. Modificaron el lugar de abordaje de la enzima productora de hidrógeno para que se acercara más al punto de generación de electrones.
Cuando exponían las bacterias fotosintéticas modificadas a la luz, esperaban que la estructura de proteínas productora de hidrógeno se convirtiera en el blanco de ataque de los electrones liberados.
Tabla periódica de los elementos. Crédito: Pixabay
La luz es imprescindible
Cuando realizaron las modificaciones en la estructura proteica, el crecimiento de las bacterias fotosintéticas rediseñadas fue más lento con relación a las no modificadas. Esto demostró que, pese a los cambios, los electrones aún llegaban con la frecuencia necesaria para activar el metabolismo normal de las bacterias fotosintéticas.
Así se reveló que las alteraciones no consiguieron la exclusiva producción de hidrógeno. Al exponer a la luz ambas cepas de bacterias fotosintéticas, las naturales y las modificadas, originaron una corta explosión de hidrógeno que desapareció fugazmente al acumularse el oxígeno en el medio.
Bacterias fotosintéticas. Crédito: State of Oklahoma
Por otra parte, se cambiaron las bacterias fotosintéticas a un medio libre de oxígeno y se incluyó un procedimiento para extraer los átomos de oxígeno. Así se podían alcanzar la cepa de bacterias fotosintéticas diseñada para que continuara generando hidrógeno. El procedimiento aplicado para eliminar los átomos de oxígeno fue haciendo fluir gas nitrógeno sobre los cultivos bacterianos.
Pudieron determinar que las bacterias fotosintéticas modificadas por ingeniería produjeron una concentración de hidrógeno de 500 µmol en condiciones anaeróbicas con luz, sin reabsorber el hidrógeno, y además, realizando este proceso por largas horas.
Conclusiones
Los resultados obtenidos ofrecen un aporte valioso a las investigaciones realizadas en el área. Principalmente porque realizaron la modificación de proteínas involucradas en la fotosíntesis en una célula viva, para el control a su favor de los sistemas activos, que respaldan la producción de hidrógeno.
Las investigaciones aún están en desarrollo, pero con esta investigación se confirma que el hidrógeno es un elemento sumamente valioso y espera convertirse en combustible del futuro.
El estudio científico ha sido publicado en Nature Energy.
Referencias
- John Timmer. Reasearcher engineer photosynthetic bacteria to produce hydrogen. Ars Technica (2020).
https://arstechnica.com/science/2020/05/researchers-engineer-photosynthetic-bacteria-to-produce-hydrogen/
- Las cianobacterias
https://www2.eez.csic.es/olivares/ciencia/fijacion/cianobacterias.htm
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