Investigadores utilizan bacterias y nanomateriales para producir compuestos orgánicos útiles

Bacterias anidadas en una serie de nanohilos usan la electricidad de los hilos para producir valiosos productos químicos.

Investigadores de la Universidad de California en Berkeley (EEUU) afirman que combinando materiales a nanoescala con bacterias han abierto la puerta a una nueva forma de diseñar sistemas capaces de convertir eficientemente dióxido de carbono, agua y luz del Sol en compuestos orgánicos útiles, parecidos a lo que pueden hacer las plantas mediante la fotosíntesis. Y afirman que, con el tiempo, el sistema se podría convertir en una forma comercial viable para producir productos químicos de alto valor como los precursores de medicamentos que usa la industria farmacéutica o para almacenar las energías renovables en forma de combustible líquido.

El objetivo de lograr una fotosíntesis artificial eficiente se persigue desde hace mucho tiempo, hay numerosos enfoques para el problema y todos ellos se enfrentan a obstáculos científicos (ver Una ‘hoja artificial’ más verde). Un enfoque extendido es el de depender de microorganismos llamados electrótrofos a los que se puede obligar, mediante la aplicación de electricidad, a crear determinados elementos químicos básicos.

Este nuevo sistema es el primero en el que se han combinado directamente semiconductores, capaces de capturar energía solar y transmitir electricidad a los microbios, con bacterias, explica el profesor de química y ciencia de los materiales en la Universidad de California en Berkeley, Peidong Yang, quien es además uno de los inventores del sistema. Sistemas anteriores parecidos han dependido de aparatosos paneles solares para proporcionar electricidad renovable (ver La agencia del DOE aprende de algunos de sus primeros errores). En este caso, nanohilos semiconductores capturan energía de la luz del Sol y pasan los electrones a bacterias electrotróficas anidadas entre los hilos. Los electrótrofos usan los electrones para convertir el dióxido de carbono y el agua en bases químicas útiles. Estos se pasan a continuación a bacterias E. coli manipuladas genéticamente que a su vez crean una amplia gama de productos.

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Este es el primer ejemplo funcional de una interfaz directa de este tipo entre bacterias y materiales semiconductores para hacer la fotosíntesis artificial, explica Yang. Él y sus compañeros han demostrado  que el sistema es capaz de producir butanol, un polímero usado para producir plásticos biodegradables, y tres precursores farmacéuticos. En principio se podría usar para crear muchos otros productos, entre ellos productos químicos que son valiosos a volúmenes relativamente pequeños, al contrario que el combustible, que debe producirse a muy gran escala para resultar económico.

Este nuevo sistema tiene la misma eficiencia que la fotosíntesis natural a la hora de aprovechar la energía en la luz del sol, afirma Yang. No es suficiente para que el proceso sea viable comercialmente, pero afirma que los nuevos materiales semiconductores en los que está trabajando su grupo actualmente deberían hacer que el proceso sea más competitivo. «La eficiencia es algo que podemos mejorar en un futuro cercano», afirma.

Una ventaja potencial importante de este diseño en concreto, además de la serie de nanohilos captores de luz, es que se puede usar en presencia de oxígeno, según el profesor de bioquímica y química de la Universidad de Duke (EEUU) Eric Toone, antiguo director del programa de electrocombustibles de ARPA-E,  que se centra  en desarrollar tecnologías que usen materiales electrotróficos para fabricar combustible (este programa concedió financiación al grupo de Yang, siendo Toone su director). Las bacterias utilizadas por el grupo de Yang están muy estudiadas y no toleran el oxígeno de forma natural, lo que ha dificultado el uso del organismo a una gran escala, explica Toone. Y según Yang en el nuevo diseño, los nanohilos «protegen» a las bacterias del oxígeno.

Aún así, los sistemas basados en microbios se enfrentan a retos significativos porque hay que mantener a las bacterias vivas, e incluso en el mejor de los casos no viven demasiado. Y comparadas con los catalizadores químicos, las bacterias son «motores» lentos, según el profesor de química Nate Lewis, que trabaja en el Instituto de Tecnología de California (EEUU).

Efectivamente, Yang explica que el objetivo final de su equipo es un sistema sintético que sea más estable que el basado en bacterias. Pero afirma que por el momento no existen catalizadores mejores que las bacterias para convertir el dióxido de carbono en compuestos útiles. Él y sus compañeros estudian ahora cuidadosamente la forma en que los materiales semiconductores transfieren electrones a los microbios. Investigar esta interfaz entre semiconductores y bacterias podría proporcionar información útil para el diseño de un catalizador sintético que sustituyese a los organismos vivos.

 

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