Pequeña pero poderosa: producción miniaturizada de hidrógeno
"Nos planteamos la pregunta biológicamente un tanto descabellada de si no podemos encontrar un atajo y dejar que la ferredoxina produzca hidrógeno"
Los investigadores han creado un biocatalizador en miniatura para la producción de hidrógeno. Funciona eficazmente con electrones procedentes de la fotosíntesis.
Las enzimas naturales productoras de hidrógeno son grandes y extremadamente sensibles al oxígeno. Esto dificulta su uso para la producción aplicada de hidrógeno verde. Investigadores del grupo de Fotobiotecnología de la Universidad del Ruhr de Bochum y colaboradores de la Universidad de Potsdam (Alemania) han encontrado una forma de evitar este problema: han transferido el centro catalítico que contiene hierro de una de estas enzimas -la [FeFe]-hidrogenasa- a una ferredoxina. Esta pequeña biomolécula actúa como portadora de electrones en todos los organismos vivos. El biohíbrido artificial puede producir hidrógeno de forma eficiente utilizando electrones procedentes de sistemas biológicos alimentados por luz. Los investigadores publicaron sus resultados en la revista Advanced Science el 17 de junio de 2025.
Atajo a la producción de hidrógeno
El hidrógeno se considera el vector energético limpio del futuro, pero sigue siendo difícil producirlo de forma sostenible. Las enzimas naturales conocidas como hidrogenasas son biocatalizadores muy eficaces para producir hidrógeno, pero aún no se utilizan industrialmente. Con 600 aminoácidos, son muy grandes y complejas, y a menudo extremadamente sensibles al oxígeno. Además, requieren electrones muy energéticos que también deben producirse de forma sostenible.
Las [FeFe]-hidrogenasas utilizan una molécula que contiene hierro para producir hidrógeno. Este cofactor funciona de forma similar a un catalizador de platino y puede sintetizarse químicamente. Sin embargo, como molécula aislada es inerte y requiere el entorno proteico para alcanzar la máxima eficacia.
Simplificación del biocatalizador
Los investigadores de la Universidad del Ruhr de Bochum querían simplificar el complejísimo biocatalizador hidrogenasa para facilitar su integración en procesos industriales. En algunas microalgas, las hidrogenasas se abastecen de electrones proporcionados por la fotosíntesis. La pequeña proteína ferredoxina, que también contiene hierro, transfiere los electrones. La propia ferredoxina recibe los electrones directamente de la cadena fotosintética de transporte de electrones.
"Nos planteamos la pregunta biológicamente un tanto descabellada de si no podríamos encontrar un atajo y dejar que la ferredoxina produjera hidrógeno", explica Vera Engelbrecht, una de las dos autoras principales del estudio. Para su gran sorpresa, los investigadores lograron identificar ferredoxinas capaces de producir hidrógeno en combinación con el cofactor de la hidrogenasa. "Sin embargo, tuvimos que sortear las vías de síntesis biológica", explica Yiting She, la otra autora principal. "Sólo ferredoxinas específicas podían colaborar con el cofactor. Descubrirlo fue un viaje difícil pero apasionante".
Interacción exitosa entre proteína y catalizador
La elevada actividad del biohíbrido sorprendió a los investigadores. "Sabemos que la interacción entre la proteína y el cofactor en las [FeFe]-hidrogenasas naturales está finamente ajustada", explica el profesor Thomas Happe, que supervisó el proyecto. Por ello, en colaboración con socios de la Universidad de Potsdam, la nueva ferredoxina hidrogenasa se caracterizó espectroscópicamente y mediante cálculos de mecánica cuántica. "Parece que la proteína ferredoxina proporciona un entorno químicamente favorable para el catalizador de la hidrogenasa", concluye Happe. Para conseguirlo, el cofactor natural de la ferredoxina debe ser sustituido por el cofactor de la hidrogenasa mediante complejas vías de síntesis. "A pesar de ello, la nueva proteína puede seguir recibiendo electrones de los componentes de la fotosíntesis", afirma Yiting She. Se trata, pues, de un importante estudio de viabilidad de una pequeña metaloenzima artificial que imite a las hidrogenasas naturales alimentadas por la luz, pero con menos componentes y andamiajes más pequeños.
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