Bacterias cyborg pueden transformar el CO2 en componentes orgánicos

Químicos de Universidad de California Berkeley han creado bacterias cyborg (un sistema híbrido de bacterias y nanocables) que capturan la energía de la luz solar y la transfieren a las bacterias para convertir el dióxido de carbono y el agua en moléculas orgánicas y oxígeno.

En la Tierra, un biohíbrido de este tipo podría eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera mientras que en Marte proporcionaría a los colonos materia prima para fabricar compuestos orgánicos que van desde combustibles hasta medicamentos. La eficacia es mayor que la eficiencia fotosintética de la mayoría de las plantas.

Los químicos de la UCBerkeley y Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) estado trabajando durante los últimos ocho años en un sistema híbrido que combina bacterias y nanocables que pueden capturar la energía de la luz solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en bloques de construcción para moléculas orgánicas. Los nanocables son delgados hilos de silicio de aproximadamente una centésima parte del ancho de un cabello humano, utilizados como componentes electrónicos, y también como sensores y células solares. Los resultados se publican en un nuevo artículo de la revista 'Joule'.

"En Marte, aproximadamente el 96% de la atmósfera es CO2. Básicamente, todo lo que necesita es estos nanocables de semiconductores de silicio para absorber la energía solar y transmitirla a estos insectos para que hagan la química", explica el líder del proyecto, Peidong Yang, Profesor de Química y de la Cátedra Distinguida SK y Angela Chan en Energía de la UC Berkeley.

"Para una misión en el espacio profundo, es importante el peso de la carga útil, y los sistemas biológicos tienen la ventaja de que se auto-reproducen: no necesitas enviar mucho. Es por eso que nuestra versión biohíbrida es tan atractiva", asegura.

El único otro requisito, además de la luz solar, es el agua, que en Marte es relativamente abundante en los casquetes polares y probablemente yace congelada bajo tierra en la mayor parte del planeta, apunta Yang, científico en Berkeley Lab y director del Instituto Kavli de Nanociencia Energética.

El biohíbrido también puede extraer dióxido de carbono del aire en la Tierra para producir compuestos orgánicos y al mismo tiempo abordar el cambio climático, que es causado por un exceso de CO2 producido por el hombre en la atmósfera.

Los investigadores informan ahora de un hito en el empaquetamiento de estas bacterias ('Sporomusa ovata') en un 'bosque de nanocables' para lograr una eficiencia récord: el 3,6% de la energía solar entrante se convierte y almacenado en enlaces de carbono, en forma de una molécula de dos carbonos llamada acetato: esencialmente ácido acético o vinagre.

Las moléculas de acetato pueden servir como bloques de construcción para una variedad de moléculas orgánicas, desde combustibles y plásticos hasta medicamentos. Muchos otros productos orgánicos podrían estar hechos de acetato dentro de organismos genéticamente modificados, como bacterias o levaduras.

El sistema funciona como la fotosíntesis que las plantas emplean naturalmente para convertir el dióxido de carbono y el agua en compuestos de carbono, principalmente azúcar y carbohidratos. Sin embargo, las plantas tienen una eficiencia bastante baja, por lo general convierten menos del medio por ciento de la energía solar en compuestos de carbono. El sistema de Yang es comparable a la planta que mejor convierte CO2 en azúcar: la caña de azúcar, que tiene una eficiencia del 4-5%.

Yang también está trabajando en sistemas para producir de manera eficiente azúcares y carbohidratos a partir de la luz solar y el CO2, lo que podría proporcionar alimentos para los colonos de Marte.

Cuando Yang y sus colegas demostraron por primera vez su reactor híbrido de nanocables y bacterias hace cinco años, la eficiencia de conversión solar era solo de aproximadamente 0,4%, comparable a las plantas, pero aún baja en comparación con las eficiencias típicas de 20% o más para los paneles solares de silicio que se convierten la luz en electricidad. Yang fue uno de los primeros en convertir nanocables en paneles solares, hace unos 15 años.

Los investigadores inicialmente intentaron aumentar la eficiencia al empaquetar más bacterias en los nanocables, que transfieren electrones directamente a las bacterias para la reacción química. Pero la bacteria se separó de los nanocables, rompiendo el circuito.

Los investigadores finalmente descubrieron que los insectos, al producir acetato, disminuían la acidez del agua circundante, es decir, aumentaban una medición llamada pH, y los hacían desprenderse de los nanocables.

Finalmente encontraron una manera de mantener el agua un poco más ácida para contrarrestar el efecto del aumento del pH como resultado de la producción continua de acetato. Esto les permitió acumular muchas más bacterias en el bosque de nanocables, aumentando la eficiencia casi en un factor de 10. Pudieron operar el reactor, un bosque de nanocables paralelos, durante una semana sin que la bacteria se despegara.

En este experimento en particular, los nanocables se usaron solo como cables conductores, no como absorbentes solares. Un panel solar externo proporcionó la energía.

Sin embargo, en un sistema del mundo real, los nanocables absorberían la luz, generarían electrones y los transportarían a las bacterias que se proyectaban sobre los nanocables. Las bacterias absorben los electrones y, de forma similar a la forma en que las plantas producen azúcares, convierten dos moléculas de dióxido de carbono y agua en acetato y oxígeno.

"Estos nanocables de silicio son esencialmente como una antena: capturan el fotón solar como un panel solar --explica Yang--. Dentro de estos nanocables de silicio, generarán electrones y los alimentarán a estas bacterias. Luego, las bacterias absorben CO2, realizan la química y escupen acetato".

El oxígeno es un beneficio secundario y, en Marte, podría reponer la atmósfera artificial de los colonos, que imitaría el 21% del ambiente de oxígeno de la Tierra.

Yang ha modificado el sistema de otras maneras, por ejemplo, para incrustar puntos cuánticos en la membrana de la bacteria que actúan como paneles solares, absorbiendo la luz solar y evitando la necesidad de nanocables de silicio. Estas bacterias cyborg también producen ácido acético.

Su laboratorio continúa buscando formas de aumentar la eficiencia del biohíbrido, y también está explorando técnicas para diseñar genéticamente las bacterias para que sean más versátiles y capaces de producir una variedad de compuestos orgánicos.