Los organismos pueden producir energía a partir del aire
Los resultados apuntan a nuevas posibilidades de producción de energía sostenible
Investigadores de la Universidad de Berna, en colaboración con investigadores de Australia y Nueva Zelanda, han recreado en el laboratorio un importante proceso que permite a los organismos obtener energía directamente de componentes que se encuentran en el aire. Esto confirma que algunos organismos, como las bacterias, pueden vivir únicamente del aire, sin depender de la luz solar ni de otras fuentes de energía. Los hallazgos apuntan a nuevas posibilidades de producción de energía sostenible.
El hidrógeno sólo está presente en nuestra atmósfera como gas traza, en una concentración del 0,00005%. La concentración se mantiene casi constante, a pesar de que cada año se producen 70 millones de toneladas de hidrógeno, principalmente a través de procesos fotoquímicos y de producción antropogénica. La razón de esta constancia no estuvo clara durante mucho tiempo, pero ahora se sabe que la mayor parte es absorbida por microorganismos como las bacterias del suelo, que utilizan el hidrógeno como fuente de energía. Unas enzimas especializadas, conocidas como hidrogenasas, captan las escasísimas moléculas de hidrógeno del aire y las convierten en energía.
Investigadores de la Universidad de Berna, junto con colegas de la Universidad de Otago, la Universidad Tecnológica de Queensland, la Universidad de Monash y la Universidad de Melbourne, han logrado recrear por primera vez en el laboratorio el proceso teórico de producción de energía por organismos a partir del hidrógeno del aire. Los resultados, que acaban de publicarse en la revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), constituyen la primera prueba de que el proceso tiene lugar realmente y explican, entre otras cosas, por qué ciertos organismos pueden sobrevivir durante mucho tiempo sin energía procedente del sol o de otras fuentes de energía.
El hidrógeno y el oxígeno reaccionan para formar agua y liberar energía
En las clases de química, este proceso de liberación de energía se demuestra clásicamente mediante la reacción oxihidrógeno. Dos partes de hidrógeno y una parte de oxígeno se mezclan en un globo y se encienden. La reacción produce un fuerte estallido y el producto de la reacción es agua. El fuerte estallido demuestra que la combinación de estos dos gases es muy energética, pero requiere una energía inicial en forma de calor. Christoph von Ballmoos, jefe del grupo de investigación del Departamento de Química, Bioquímica y Ciencias Farmacéuticas de la Universidad de Berna e iniciador y último autor del estudio, explica: "Básicamente, la misma reacción tiene lugar en la célula bacteriana. Sin embargo, está estrictamente catalizada por enzimas y no requiere una ignición inicial. La reacción en las bacterias se divide en al menos tres pasos con el fin de almacenar la energía liberada en forma de energía celular ATP en lugar de perderla en forma de calor, como en el experimento del oxihidrógeno".
El ATP (trifosfato de adenosina) es la fuente de energía más importante de la célula y se utiliza para numerosas tareas, como la ingesta de alimentos o la producción de ADN y proteínas. El ATP actúa como una pequeña batería recargable, que se regenera tras su uso.
Para comprobar si este proceso teórico puede tener lugar realmente en los organismos, los investigadores reconstruyeron una cadena respiratoria sintética mínima a partir de componentes purificados. Von Ballmoos explica: "En los seres humanos, la respiración celular tiene lugar en las mitocondrias y convierte la energía de los alimentos en ATP. En el proceso, los electrones se transfieren gradualmente de las moléculas ricas en energía al oxígeno. La energía liberada de este modo se utiliza para impulsar un ciclo de protones, que genera ATP mediante una nanoturbina". En el estudio actual, los investigadores produjeron una cadena respiratoria sintética mínima a partir de sólo tres enzimas incrustadas en una membrana lipídica artificial, una de las cuales (la hidrogenasa) procedía de Australia y las otras dos (la bomba de protones y la nanoturbina) de Berna. "Una dificultad de este experimento que finalmente pudimos superar fue incorporar las proteínas a la membrana de tal forma que los protones se bombeen en la dirección correcta", explica Stefan Moning, segundo autor del estudio y estudiante de doctorado en el Departamento de Química, Bioquímica y Ciencias Farmacéuticas de la Universidad de Berna.
La vida a partir del aire es posible
Los experimentos apoyan la teoría de que ciertos organismos sólo pueden producir la energía que necesitan para vivir a partir de los componentes del aire. "Aunque el hidrógeno sólo está presente en el aire en cantidades insignificantes, las tres enzimas consiguen conservar la energía de la reacción y convertirla en ATP. Esto es aún más impresionante si se tiene en cuenta que el oxígeno es 400.000 veces más abundante en el aire que el hidrógeno, lejos de las condiciones ideales de la reacción del oxihidrógeno. Aunque el proceso es lento, es suficiente para mantener un organismo a flote en los malos tiempos, como hemos calculado", afirma von Ballmoos.
"Este proceso no sólo explica por qué la concentración de hidrógeno en la atmósfera se mantiene constante, sino también por qué es posible la vida en el árido desierto antártico a pesar de la ausencia de moléculas orgánicas o por qué los organismos pueden sobrevivir largos periodos sin una fuente de energía", afirma Sarah Soom, primera autora del estudio y antigua estudiante de máster en el Departamento de Química, Bioquímica y Ciencias Farmacéuticas de la Universidad de Berna. "Se supone que otros gases traza presentes en el aire, como el monóxido de carbono o el metano, permiten procesos similares. Pero ahora se ha demostrado experimentalmente por primera vez con el hidrógeno. La idea de que se pueda vivir realmente del aire es fascinante", afirma von Ballmoos.
La reacción permite producir energía sostenible
La reacción del hidrógeno con el oxígeno tiene como único producto residual agua pura. "Esto convierte al método en una de las formas de generación de energía más respetuosas con el medio ambiente, comparable a la procedente de la luz solar", afirma Soom.
"La velocidad de producción de ATP puede multiplicarse varias veces si el hidrógeno está presente en concentraciones más elevadas. Si esto puede lograrse, por ejemplo mediante la división del agua catalizada por la luz, el proceso podría establecer nuevos estándares para la producción de ATP en biología sintética", afirma von Ballmoos. La producción continua y sostenible de ATP es importante, por ejemplo, para la producción de fármacos con apoyo enzimático o para comprender el origen de la vida en sistemas modelo. "Aún quedan muchas preguntas por responder y la cadena respiratoria sintética puede optimizarse aún más. Sin embargo, este trabajo constituye un hito hacia la viabilidad y un punto de partida para otras aplicaciones potenciales apasionantes", concluye von Ballmoos.
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