En Marte o en la Tierra, los biohíbridos pueden convertir el dióxido de carbono en nuevos productos. ¿Qué pasa con eso?

Las bacterias en los nanocables convierten la luz solar, el dióxido de carbono y el agua en bloques de construcción orgánicos

Universidad de California, Berkeley

Un dispositivo para capturar dióxido de carbono del aire y convertirlo en productos orgánicos útiles.  A la izquierda está la cámara que contiene el híbrido nanocable/bacteria que reduce el dióxido de carbono para formar acetato.  A la derecha está la cámara donde se produce el oxígeno.  Crédito de la foto de UC Berkeley por Peidong Yang
Un dispositivo para capturar dióxido de carbono del aire y convertirlo en productos orgánicos útiles. A la izquierda está la cámara que contiene el híbrido nanocable/bacteria que reduce el dióxido de carbono para formar acetato. A la derecha está la cámara donde se produce el oxígeno. Crédito de la foto de UC Berkeley por Peidong Yang

Si los humanos alguna vez esperan colonizar Marte, los colonos necesitarán fabricar en el planeta una gran variedad de compuestos orgánicos, desde combustibles hasta medicamentos, que son demasiado caros para enviarlos desde la Tierra.

Los químicos de la Universidad de California, Berkeley, y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) tienen un plan para eso.

Durante los últimos ocho años, los investigadores han estado trabajando 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 componentes básicos para moléculas orgánicas. Los nanocables son cables delgados de silicio de aproximadamente una centésima parte del ancho de un cabello humano, que se utilizan como componentes electrónicos y también como sensores y células solares.

“En Marte, alrededor del 96% de la atmósfera es CO2. Básicamente, todo lo que necesita son estos nanocables semiconductores de silicio para absorber la energía solar y pasarla a estos insectos para que hagan la química por usted”, dijo el líder del proyecto Peidong Yang, profesor de química y SK y Angela Chan Distinguished Chair in Energy. en la Universidad de Berkeley. “Para una misión en el espacio profundo, te preocupas por el peso de la carga útil, y los sistemas biológicos tienen la ventaja de que se auto-reproducen: no necesitas enviar mucho. Por eso nuestra versión biohíbrida es muy atractiva”.

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

El biohíbrido también puede extraer dióxido de carbono del aire de 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.

En un nuevo artículo que se publicará el 31 de marzo en la revista Joulelos investigadores informan 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 almacena en enlaces de carbono, en forma de dos átomos de carbono. molécula 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 fabricarse a partir de acetato dentro de organismos modificados genéticamente, 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. Las plantas, sin embargo, 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 el CO2 en azúcar: la caña de azúcar, que tiene una eficiencia del 4-5%.

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

Mira el pH

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

Inicialmente, los investigadores intentaron aumentar la eficiencia empaquetando más bacterias en los nanocables, que transfieren electrones directamente a las bacterias para la reacción química. Pero las bacterias se separaron de los nanocables, rompiendo el circuito.

Los investigadores finalmente descubrieron que los insectos, a medida que producían acetato, disminuían la acidez del agua circundante, es decir, aumentaban una medida llamada pH, y hacían que se desprendieran de los nanocables. Él y sus alumnos 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 empaquetar muchas más bacterias en el bosque de nanocables, aumentando la eficiencia casi por un factor de 10. Pudieron operar el reactor, un bosque de nanocables paralelos, durante una semana sin que las bacterias se despegaran.

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 adheridas a los nanocables. Las bacterias absorben los electrones y, de forma similar a como 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”, dijo Yang. “Dentro de estos nanocables de silicio, generarán electrones y los alimentarán a estas bacterias. Luego, las bacterias absorben CO2, hacen 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 entorno del 21% de oxígeno de la Tierra.

Yang modificó el sistema de otras maneras, por ejemplo, para incrustar puntos cuánticos en la propia membrana de la bacteria que actúan como paneles solares, absorbiendo la luz solar y obviando 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 modificar genéticamente las bacterias para hacerlas más versátiles y capaces de producir una variedad de compuestos orgánicos.

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La investigación cuenta con el apoyo de una subvención de la NASA al Centro para la Utilización de Ingeniería Biológica en el Espacio (CUBES), un esfuerzo de varias universidades para desarrollar técnicas para la biofabricación en el espacio.

Los coautores del artículo de UC Berkeley son los estudiantes graduados actuales o anteriores Yude Su, Stefano Cestellos-Blanco y Ji Min Kim, quienes contribuyeron igualmente al trabajo; y los estudiantes graduados Yue-xiao Shen, Qiao Kong, Dylan Lu, Chong Liu, Hao Zhang y Yuhong Cao.

Desde Eurek Alert!

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