La innovación allana el camino para fabricar productos químicos, plásticos y alimentos "limpios" con energía solar
Un reactor solar integrado utiliza luz solar, agua, CO2 y bacterias artificiales para cultivar biomasa en un solo vaso
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Un nuevo estudio dirigido por el Dr. Lin Su, de la Universidad Queen Mary de Londres, publicado en el Journal of the American Chemical Society, describe un nuevo reactor solar integrado en el que Escherichia coli (E. coli) manipulada se cultiva directamente dentro del mismo líquido que convierte el CO₂ en una fuente de energía utilizable mediante la luz solar.
En el futuro, esta tecnología podrá utilizarse para fabricar productos químicos no contaminantes, plásticos o incluso proteínas microbianas.
El dispositivo combina una célula solar orgánica, un electrodo semiconductor, dos enzimas y una bacteria manipulada, y convierte CO₂ y agua en biomasa viva, reproduciendo las etapas de la fotosíntesis natural sin ninguna planta, alga o microbio fotosintético.
Química solar y bacterias artificiales
La industria química actual funciona con combustibles fósiles. Paralelamente, crecen dos alternativas limpias: la química solar, en la que la luz del sol convierte el CO₂ en pequeñas moléculas útiles, y las bacterias artificiales, que pueden programarse para fabricar una amplia gama de sustancias químicas. Varios dispositivos biohíbridos anteriores ya han colocado un absorbedor de luz abiótico y un microbio dentro del mismo reactor, utilizando distintas combinaciones de catalizadores, productos intermedios y organismos huésped.
En este artículo se plantea la siguiente pregunta: ¿puede conseguirse la misma integración en una sola olla utilizando un conjunto de componentes que puedan diseñarse por ambas partes, en concreto un absorbedor de luz orgánico, una enzima purificada como catalizador de la reducción de CO₂, el portador energético soluble de un solo carbono, el formiato, y un chasis de E. coli manipulado? Esta combinación es importante porque cada uno de estos componentes puede ajustarse o intercambiarse de forma independiente (la célula solar rediseñada, la enzima rediseñada, la cepa recableada para un producto objetivo), dando lugar a una plataforma que está diseñada para ser modificada en lugar de fijada a una química.
Para que una industria química limpia sustituya a la de los combustibles fósiles, la química que captura el CO₂ y la biología que lo convierte en productos útiles tendrán que compartir el mismo dispositivo. Los procesos de dos pasos con transferencia manual entre reactores son demasiado caros e ineficaces para su ampliación. Este trabajo es una demostración temprana de que la química y la biología pueden hacerse compatibles dentro de un mismo vaso de precipitados, lo que constituye la base de cualquier futura refinería solar integrada para productos químicos, materiales y proteínas microbianas.
En el interior del reactor, la luz solar impulsa dos reacciones, a las que sigue una tercera en el mismo líquido. La luz solar divide el agua en un electrodo, liberando oxígeno para que respiren las bacterias. En un segundo electrodo, impulsa una enzima que capta CO₂ del líquido y lo convierte en formiato, una pequeña molécula que transporta la energía solar captada en una forma que las bacterias pueden utilizar como combustible. A continuación, las bacterias toman el formiato, lo queman para obtener energía utilizando el oxígeno que el dispositivo acaba de fabricar, y utilizan esa energía para construirse a sí mismas a partir de más CO₂ disuelto en el mismo líquido. Entra la luz solar. Salen bacterias vivas.
El valor de este trabajo reside en demostrar que es posible realizar la cadena completa, desde los fotones hasta la biomasa de E. coli en un solo líquido. Esto abre el camino a la introducción de cepas modificadas que produzcan sustancias químicas más allá de la biomasa.
El Dr. Lin Su, profesor de la Universidad Queen Mary de Londres, afirmó: "Hasta ahora, el problema de intentar producir biomasa viva, como las bacterias, en un reactor químico alimentado con energía solar era que la química liberaba iones metálicos tóxicos que envenenaban las bacterias. Hemos demostrado que un reactor químico alimentado por energía solar y unas bacterias artificiales pueden compartir un mismo vaso de precipitados, utilizando luz solar, agua y CO₂ para cultivar biomasa viva de forma segura".
Una vez que la integración funcione, un biólogo sintético podrá conectar otra cepa de E. coli modificada al mismo hardware para producir una molécula distinta".
"Aunque se encuentra en una fase inicial, con rendimientos aún pequeños y el reactor funcionando durante horas en lugar de semanas, es muy prometedor".
Por su parte, Celine Wing See Yeung, de la Universidad de Cambridge, afirma: "El proyecto se ha desarrollado como una telaraña: "El proyecto es como un rompecabezas formado por años de investigación: desde hacer posible que la fotovoltaica orgánica funcione a altas temperaturas hasta avanzar en la purificación de enzimas e integrarla en la biología sintética. Juntos, demostramos cómo la química de materiales y la biología sintética pueden unir sus fuerzas para desarrollar las refinerías químicas del futuro alimentadas por energía solar."
El profesor Ron Milo, del Instituto Weizmann de Ciencias, afirmó: "La integración con éxito de estos dos sistemas va a ser clave para las tecnologías de producción sostenibles. Los avances en el cultivo de bacterias con CO2 abren la vía al suministro de alimentos con un uso mucho menor de la tierra y el agua, y pueden reducir significativamente los retos climáticos y ecológicos a los que se enfrenta la humanidad". En palabras del profesor Erwin Reisner, de la Universidad de Cambridge: "Nuestro estudio demuestra que los absorbentes de luz sintéticos pueden integrarse con microbios no fotosintéticos para alimentar la reacción central de la fotosíntesis natural. Este logro ha sido posible gracias a un planteamiento interdisciplinar mediante una cuidadosa selección y combinación de semiconductores con enzimas aisladas y microbios artificiales en un dispositivo alimentado por energía solar. Este planteamiento abre nuevas y apasionantes oportunidades de producir sustancias químicas de alto valor mediante sistemas semibiológicos para una fabricación sostenible aprovechando las fronteras de la biología sintética."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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