Una bacteria modificada esclarece el aprovechamiento de la energía solar

   Desde hace años la humanidad ha sabido cómo sacar partido a la inagotable energía que nos aporta el Sol, con el inevitable problema de su intermitencia, a la merced de los ciclos diurnos y condiciones meteorológicas. La producción de fuel a partir de dicha energía solar permitiría un almacenamiento más eficaz de la misma, ya que los combustibles líquidos son más fácilmente transportados y usados con las infraestructuras actuales. Una nueva forma de hacer combustible a partir de energía solar se presenta en un artículo científico publicado en 2015 en la revista PNAS con el químico Daniel Nocera como investigador principal: Se deja un microbio sin comida hasta casi morir y luego se alimenta con dióxido de carbono e hidrógeno producido con la ayuda de un panel solar.

   "El petróleo y el  gas no son fuentes sostenibles de combustible, la siguiente mejor opción es la biología" Torrella, colaborador en el proyecto 

Daniel Nocera, principal
investigador del proyecto 

   Por un lado la energía fotovoltaica que convierte energía solar en energía eléctrica con mucha más eficiencia que la fotosíntesis de bacterias o plantas y los nuevos catalizadores, mucho más baratos que los precedentes, que facilitan la electrólisis del agua, es decir su separación en Hidrógeno y Oxígeno gas aplicando una diferencia de voltaje que genera una corriente. Por otro lado la bacteria Ralstonia eutropha que utiliza este hidrógeno como fuente de energía para la creación de moléculas de carbono, en este caso el combustible isopropanol (que puede usarse como el etanol o la gasolina) y puede separarse fácilmente del agua, lo que facilitaría su recuperación en un proceso industrial.

   Este sistema puede producir 216 mg de isopropanol por litro de agua, una eficacia a la altura de las plantas de maíz, que generan granos ricos en almidón, que alimentan a millones de personas. La clave está en usar una variante de R. eutropha modificada genéticamente, cuyo metabolismo se centra principalmente en producir el combustible. No obstante, para que la bacteria use el CO2 como fuente de carbono, hay que privarla antes de nutrientes, es decir, ponerla en "modo de hambruna" obligándole a alimentarse del hidrógeno.

Este sistema pionero permite trabajar con célula
y maquinaria electroquímica en la misma celda

   Lo más innovador es que, se ha puesto a crecer la bacteria en la misma celda donde se realiza la separación eléctrica del agua en lugar de, como se ha hecho en anteriores sistemas, separar lo inerte de lo vivo. ¿Cómo es esto posible?

   Se sabe que para conseguir la electrólisis del agua de forma eficiente se necesitan altas diferencias de voltaje y una serie de componentes que generan un ambiente hostil para la vida. No obstante, R. eutropha soporta bastante bien esas condiciones; lo que ayuda a producir mayor cantidad de combustible. Los autores del trabajo muestran como compatibilizar el crecimiento de la bacteria con el proceso de electrólisis, estudiando en que rangos de voltaje crecen mejor y por qué, o bien adecuando los materiales de los electrodos para minimizar los perjuicios producidos al microbio.

 Crecimiento del microbio en el tiempo
a los distintos voltajes aplicados medido
con distintas técnicas (A,B)

   Primeramente, los investigadores prueban a realizar el experimento aplicando diferencias de voltaje en la celda de entre 1,8V y 3.0V que de inicio se sabe que generan corrientes suficientes para producir la electrólisis del agua; los resultados son que a valores mayores o iguales de 2,7V la población celular crece bien, pero con voltajes inferiores a 2,7V la población crece muy lentamente o no lo hace de forma apreciable. En la imagen de la derecha, se ve representado en la figura A como aumenta la población celular en el cultivo respecto del tiempo: se observa como solamente los valores de voltaje 2,7V y 3,0V registran un buen crecimiento, mientras que en los otros tres valores prácticamente no lo hay. En la figura B se observa un spot assay (donde se deduce, mediante el número de colonias observadas en el cultivo, si estas han crecido o no favorablemente); en filas vemos los factores de dilución de los inóculos de mayor a menor (qué cantidad de bacterias se han puesto a crecer inicialmente) y en columnas si la imagen corresponde a la situación observada antes de aplicar el voltaje para electrólisis o a cuando ya se ha aplicado durante 96 h dichos valores de voltaje. De nuevo coincide con los resultados obtenidos de la figura A, solamente los valores de voltaje 2,7V y 3,0V registran un buen crecimiento.

Concentración de agua oxigenada
en los distintos electrodos

   Estos resultados se deben a la formación de subproductos tóxicos del oxígeno que matan  a las células, producidos en reacciones incompletas de la electrólisis. Los voltajes bajos favorecen que se den estas reacciones indeseadas que dan lugar a especies muy oxidantes (reactivas) que acaban con las bacterias al interaccionar con sus paredes celulares- daño causado-. Para comprobar que la muerte se debe a estos radicales libres producidos en el electrodo se mide la concentración de uno de ellos, el agua oxigenada (H2O2) y se compara con spot assays. La correlación es clara: como vemos en la figura 1 la concentración de H2O2 en uno de los electrodos(cátodo), indicada con puntos rojos y verdes, es mucho más alta que el otro (ánodo), indicada con cuadrados azules, y es precisamente en el cátodo donde se observa menor número de colonias, lo que demuestra que los subproductos tóxicos del oxígeno que se forman ahí están acabando con las células (figura 2). A su vez, en la Figura 3 vemos que si se compara un cultivo donde se añadió catalasa, una enzima capaz de eliminar estos subproductos tóxicos (entre ellos el H2O2), con otro cultivo donde se añadió la catalasa pero inactivada (+HI cat): se observa un crecimiento mayor en el primero, lo que volvería a corroborar la tesis. Finalmente se prueba con un cátodo más inerte que produzca menos subproductos tóxicos. A pesar de ser menos eficiente que el anterior, mata a menos células, lo que significa una mayor producción del producto de interés.

Comprobación del efecto de la enzima
catalasa

Muerte celular apreciable en el
cátodo, debido a los ROS

   En definitiva, este trabajo abre las puertas a la incorporación de los combustibles de 3ª generación (producidos mediante organismos modificados genéticamente) a la industria real ya que no tiene precedente en términos de eficiencia tanto energética como económica. Además, no solo abre la veda a la generación de otros combustibles mediante este mecanismo si no que también se podría obtener productos farmacéuticos u otras moléculas útiles a partir de luz solar y CO2, lo que nos introduce de pleno en el concepto de hoja biónica- sistema artificial que simula la actividad fotosintética de una hoja-, con el cual se podría prescindir de energías fósiles como el gas y el petróleo, así como minimizar el efecto invernadero.

Autores del Blog:

Eduardo Burillo Richart

Alvaro-Javier Ferriz Mejías

Emilio Fuster Collados

Jose Manuel Magdaleno Puche

Adrián Román Sarmiento

Miquel Sendra Ortolà

Referencias bibliográficas:

Joseph P. Torella, Christopher J. Gagliardi, Janice S. Chen, D. Kwabena Bediako, Brendan Colón, Jeffery C. Way, Pamela A. Silver, and Daniel G. Nocera

Efficient solar-to-fuels production from a hybrid microbial–water-splitting catalyst system

doi: 10.1073/pnas.1424872112

Revista: PNAS (2015)

http://www.pnas.org/content/112/8/2337.full.pdf