La ‘hoja biónica’ aprovecha la luz solar para producir combustible

Aquí hay una nueva forma de usar la luz solar para producir combustible: matar de hambre a un microbio y alimentarlo con dióxido de carbono e hidrógeno producido por paneles solares. Un biorreactor recién desarrollado alimenta a los microorganismos con gas hidrógeno separado del agua por un catalizador especial conectado a un circuito fotovoltaico. Los investigadores ahora afirman que tales sistemas similares a baterías podrían vencer a los sistemas puramente biológicos o puramente tecnológicos cuando se trata de convertir la luz solar en combustible y otras moléculas útiles.

«Creemos que podemos hacerlo mejor que las plantas», dijo Joseph Torreira, de Boston Consulting Group, quien ayudó a dirigir el trabajo publicado el 9 de febrero en Proceedings of the National Academy of Sciences.

El proceso comenzó en 2009 con un catalizador económico para dividir el agua desarrollado por Daniel Nocera, un químico que ahora trabaja en la Universidad de Harvard. Estos catalizadores de fosfato de cobalto usan electricidad para producir hidrógeno a partir de agua ordinaria. Pero el hidrógeno no se ha popularizado como combustible alternativo. Entonces, cuando Nocera llegó a Harvard, se asoció con la bioquímica de la Escuela de Medicina de Harvard, Pamela Silver, su entonces estudiante graduada Torella y otros para construir un sistema híbrido que podría producir combustibles más útiles.

Al emparejar máquinas y microbios, esta nueva «hoja biónica» obtiene las mejores propiedades de ambos. La energía fotovoltaica puede convertir más luz solar incidente en electricidad que la que emplean las bacterias o las plantas para la fotosíntesis, y el nuevo catalizador puede dividir el agua ordinaria, incluso el agua sucia del río Charles de Boston. Pero los microbios, fotosintéticos o no, son expertos en convertir la energía entrante en moléculas útiles, ya sea alimento, combustible o medicina. Así que Torella y el resto del equipo combinaron las obleas fotovoltaicas que dividen el agua con Ralstonia eutropha, una bacteria del suelo que puede usar hidrógeno dividido para impulsar la construcción de moléculas de carbono, en un frasco. El equipo usó una variante modificada genéticamente de Rostella eutropha para producir isopropanol (C3H8O), una molécula de alcohol que se puede usar como combustible como el etanol o la gasolina y se puede separar fácilmente del agua con sal.

La hoja biomimética puede bombear 216 miligramos de isopropanol por litro de agua, una eficiencia comparable a la forma en que las plantas de maíz usan la luz solar para producir granos ricos en almidón. La clave es utilizar bacterias Rocherichia eutropha especialmente adaptadas y colocarlas en tanques herméticos llenos de líquido sin nutrientes, hidrógeno y dióxido de carbono disuelto. Varias transferencias de un frasco a otro, combinadas con una agitación vigorosa y el tiempo, hicieron que Rostella eutropha cambiara del crecimiento normal al modo de pánico, induciendo a los microbios a alimentarse directamente de hidrógeno. Las colonias resultantes se colocan en frascos con separadores de agua, se conectan electrodos de acero inoxidable a paneles fotovoltaicos para proporcionar corriente eléctrica y, después de unos días, comienzan a crecer nuevas hojas biomiméticas y escupen isopropanol.

Esta no es la primera vez que R. eutropha se usa para producir combustible a partir de la energía solar, pero el nuevo trabajo es el primero en colocar este microbio único en la misma cámara que un químico impulsado por electricidad que divide el agua, en lugar de un La vida separa la no vida de los seres vivos para evitar que la química de la no vida mate la vida. El nuevo trabajo también anuncia el progreso de la ingeniería en el sueño de los combustibles electrónicos: usar electricidad para crear combustibles líquidos, un programa innovador que se desarrolló entre 2008 y 2022 como parte de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Energía (ARPA-E) para ayudar a inspirar este trabajo.

La idea es revertir la combustión y utilizar los desechos de la combustión de combustibles fósiles (dióxido de carbono) para producir combustible, tal como lo hacen las plantas. «El petróleo y el gas no son fuentes sostenibles de combustible, plásticos, fertilizantes o la miríada de otros productos químicos que se producen con ellos», dijo Torella. «La siguiente mejor respuesta después del petróleo y el gas es la biología, generando[s] Cada año se produce 100 veces más carbono a través de la fotosíntesis que el que los humanos consumen a partir del petróleo. «

La hoja biónica podría modificarse para producir combustibles, medicamentos u otras moléculas útiles siempre que haya luz solar y dióxido de carbono. «Imagínese poder crear un sistema en un vaso de agua para producir nuevos productos químicos útiles», dijo Silver. «La eficiencia será el principal objetivo de nuestra hoja biomimética».

Esa mejora podría venir en forma de una R. eutropha mutante que podría ser mejor en el trabajo o tolerar mejor las duras condiciones, lo que podría ayudar a producir más combustible. O un microbio completamente diferente podría convertir más fácilmente la mayor parte del dióxido de carbono en moléculas útiles. O, por el contrario, los materiales de los electrodos se pueden ajustar para minimizar o eliminar su desafío para los microbios.

El truco para hacer que la hoja biomimética funcione mejor es trabajar a altos voltajes que ayuden a las células eutróficas de R. eutropha a prosperar, al mismo tiempo que producen grandes cantidades de las moléculas deseadas. Pero los voltajes bajos también pueden producir las moléculas deseadas, con la desventaja de que las reacciones no deseadas en los electrodos producen subproductos de oxígeno tóxicos que matan las células. El oxígeno también plantea un desafío para la vida en la fotosíntesis, lo que en última instancia puede significar que la hoja biomimética sea superada por la química no viva. «¿Qué pasaría si hiciéramos reaccionar hidrógeno con calor? [carbon monoxide] ¿O el propio CO2? «, preguntó Andrew Bocarsly, un químico de la Universidad de Princeton que está trabajando en celdas electroquímicas que pueden convertir el CO2 en combustible. El uso de calor para construir moléculas a partir de este gas de síntesis ya se usa en la industria, así que «¿cómo se compara la eficiencia energética ahora?» No sé la respuesta. «

Cualquiera que sea el enfoque que gane, la inversión de la combustión podría ayudar a abordar el calentamiento global. De hecho, el producto final de la hoja biomimética no tiene que ser isopropanol, pero en principio podría ser muchas moléculas diferentes basadas en carbono, incluso, quizás algún día, hidrocarburos comúnmente conocidos como petróleo o gas. «La vía modificada para producir isopropanol tiene un gran flujo de carbono», señala Silver de BionicLeaf. «Es teóricamente posible hacer otras moléculas de combustible».