Descubre la bacteria para producir combustible solar

Científicos han descubierto que la bacteria Moorella thermoacetica brinda una manera más eficiente de producir combustibles solares mediante fotosíntesis artificial, gracias a su apetito por el oro.

M. thermoacetica se convirtió en la primera bacteria no fotosensible que producía fotosíntesis artificial en un estudio dirigido por Peidong Yang, profesor de la Facultad de Química de la Universidad de California en Berkeley. Al unir nanopartículas absorbentes de luz hechas de sulfuro de cadmio (CdS) a la membrana bacteriana exterior, los investigadores convirtieron a M. thermoacetica en una pequeña máquina de fotosíntesis, convirtiendo la luz solar y el dióxido de carbono en productos químicos útiles.

Descubre la bacteria para producir combustible solar

Ahora Yang y su equipo de investigadores han encontrado una mejor manera de atraer a esta bacteria hambrienta de CO2 para que sea aún más productiva. Al colocar nanocúmulos de oro que absorben la luz dentro de la bacteria, han creado un sistema biohíbrido que produce un mayor rendimiento de productos químicos que el demostrado anteriormente. La investigación se publicó en Nature Nanotechnology.

Para el primer modelo híbrido, M. thermoacetica-CdS, los investigadores eligieron el sulfuro de cadmio como semiconductor por su capacidad para absorber la luz visible. Pero como el sulfuro de cadmio es tóxico para las bacterias, las nanopartículas debían estar unidas a la membrana celular "extracelularmente" o fuera del sistema M. thermoacetica-CdS.

La luz solar excita cada nanopartícula de sulfuro de cadmio para generar una partícula cargada conocida como un electrón. A medida que estos electrones generados por la luz viajan a través de la bacteria, interactúan con múltiples enzimas en un proceso conocido como "reducción de CO2", lo que desencadena una cascada de reacciones que eventualmente convierten el CO2 en acetato, un químico valioso para producir combustibles solares.

Ahora Yang y su equipo de investigadores han encontrado una mejor manera de atraer a esta bacteria hambrienta de CO2 para que sea aún más productiva.

Pero dentro del modelo extracelular, los electrones terminan interactuando con otros químicos que no tienen parte en convertir el CO2 en acetato. Y como resultado, algunos electrones se pierden y nunca llegan a las enzimas.

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Así que para mejorar lo que se conoce como "eficiencia cuántica" o la capacidad de la bacteria para producir acetato cada vez que gana un electrón, los investigadores encontraron otro semiconductor: nanocúmulos hechos de 22 átomos de oro (Au22), un material al que M. thermoacetica acogió de una forma sorprendente.

"Seleccionamos Au22 porque es ideal para absorber la luz visible y tiene el potencial para impulsar el proceso de reducción de CO2, pero no estábamos seguros de si sería compatible con la bacteria", dijo Yang. "Cuando los inspeccionamos bajo el microscopio, descubrimos que las bacterias estaban cargadas con estos grupos de Au22, y aún estaban felices de vivir".

Las imágenes del sistema M. thermoacetica-Au22 se realizaron en el Molecular Imaging Center de la Universidad de California Berkeley. Los investigadores también seleccionaron Au22, apodado por los investigadores como nanocúmulos de oro "mágicos", por su tamaño ultra pequeño: un solo nanocúmulo Au22 tiene solo 1 nanómetro de diámetro, lo que permite que cada uno se deslice fácilmente a través de la pared celular bacteriana.

"Al alimentar a las bacterias con nanocúmulos Au22, hemos optimizado efectivamente el proceso de transferencia de electrones para la vía de reducción de CO2 dentro de las bacterias, como lo demuestra una eficiencia cuántica de 2,86 por ciento, o 33 por ciento más de acetato producido dentro del sistema M. thermoacetica-Au22 que el modelo CdS", dijo Yang.

El mágico nanocúmulo de oro es el último descubrimiento del laboratorio de Yang, que durante los últimos seis años se ha centrado en el uso de nanoestructuras biohíbridas para convertir el CO2 en productos químicos útiles como parte de un esfuerzo continuo para encontrar recursos asequibles y abundantes para combustibles renovables y potenciales soluciones para contrarrestar los efectos del cambio climático.

"A continuación, nos gustaría encontrar una manera de reducir costes, mejorar la vida útil de estos sistemas biohíbridos y mejorar la eficiencia cuántica", dijo Yang. "Al continuar observando el aspecto fundamental de cómo se fotoactivan los nanocúmulos de oro y siguiendo el proceso de transferencia de electrones dentro de la vía de reducción de CO2, esperamos encontrar soluciones aún mejores".

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