Energía del futuro: hidrógeno fotosintético de las bacterias
Cómo las cianobacterias pueden ser transformadas en fábricas de hidrógeno
La transición de los combustibles fósiles a un suministro de energía renovable es uno de los desafíos mundiales más importantes del siglo XXI. Para alcanzar el objetivo acordado internacionalmente de limitar el calentamiento global a un máximo de 1,5 grados, la comunidad internacional debe reducir drásticamente las emisiones globales de CO2. Aunque Alemania fue considerada durante mucho tiempo como pionera en esta transición energética, un amplio cambio hacia las energías renovables en el sector de la energía sigue siendo un escenario futuro aquí. A este respecto, el hidrógeno podría desempeñar un papel importante en el futuro como una fuente de energía prometedora y potencialmente neutra para el clima. Utilizado en las pilas de combustible, proporciona energía para diversas aplicaciones, y sólo produce agua como producto de desecho. Por el momento, el hidrógeno se obtiene principalmente a partir de la electrólisis del agua, y este proceso requiere inicialmente un aporte de energía, que hasta ahora ha procedido principalmente de los combustibles fósiles. Una economía del hidrógeno neutra desde el punto de vista climático, es decir, el uso del llamado hidrógeno verde, requiere que la producción de hidrógeno se base exclusivamente en energía renovable. Los investigadores están tratando de explotar esa fuente de energía sostenible, por ejemplo mediante la fotosíntesis. Desde entonces, la fotosíntesis ha proporcionado a la humanidad la energía de la luz solar, ya sea en forma de alimentos o como combustibles fósiles. En ambos casos, la energía solar se almacena inicialmente en compuestos de carbono, como el azúcar. Si se explotan estos compuestos de carbono, se libera CO2. La fijación fotosintética del CO2 se invierte esencialmente para recuperar la energía solar de los compuestos de carbono.
El grupo de investigación junior "Bioenergética en Fotoautotrofos" en la CAU lleva a cabo una investigación básica para una futura economía del hidrógeno con neutralidad climática.
© Jolanda Zürcher
A diferencia de los enfoques in vitro, el metabolismo de las cianobacterias vivas es en principio capaz de producir hidrógeno de forma permanente.
© Dr. Kirstin Gutekunst
Junto con el Dr. Jens Appel, Vanessa Hüren y el Dr. Marko Boehm (de izquierda a derecha), la Dra. Kirstin Gutekunst está investigando cómo las cianobacterias pueden ser usadas para producir hidrógeno solar.
© Sarah Hildebrandt
En la Universidad de Kiel, asociado al Profesor Rüdiger Schulz, el grupo de investigación junior "Bioenergética en Fotoautotrofas" del Instituto Botánico, dirigido por la Dra. Kirstin Gutekunst, investiga cómo este ciclo de carbono - y las emisiones de CO2 resultantes - pueden ser evitadas durante la conservación de la energía. "Para este propósito, el almacenamiento de energía solar directamente en forma de hidrógeno es particularmente prometedor - esto no crea CO2 y la eficiencia es muy alta debido a la conversión directa", dice Gutekunst para explicar su enfoque de investigación. Con su equipo, investiga una cianobacteria específica: a través de la fotosíntesis, puede producir hidrógeno solar durante unos minutos, que sin embargo es posteriormente consumido completamente por la célula. En su estudio actual, los investigadores de Kiel describen cómo este mecanismo podría utilizarse potencialmente para aplicaciones biotecnológicas en el futuro: fueron capaces de acoplar una enzima específica de la cianobacteria viva, la llamada hidrogenasa, con la fotosíntesis de tal manera que la bacteria produce hidrógeno solar durante largos períodos de tiempo, y no lo consume.
Las cianobacterias como fábricas de hidrógeno
Al igual que todas las plantas verdes, las cianobacterias son capaces de realizar la fotosíntesis. Durante este proceso, la energía solar se utiliza para dividir el agua y almacenar la energía solar químicamente, especialmente en forma de azúcar. Los electrones pasan a través de los llamados fotosistemas, en los que sufren una cascada de reacciones que finalmente producen el portador de energía universal adenosín trifosfato (ATP) y los llamados equivalentes reductores (NADPH). El ATP y el NADPH se requieren posteriormente para la fijación del CO2 para producir azúcar. Así pues, los electrones necesarios para la producción de hidrógeno normalmente forman parte de los procesos metabólicos que proporcionan a las cianobacterias energía almacenada en forma de azúcar. El equipo de investigación de Kiel ha desarrollado un enfoque para redirigir estos electrones y estimular el metabolismo de los organismos vivos para producir principalmente hidrógeno.
"La cianobacteria que investigamos utiliza una enzima, la llamada hidrogenasa, para producir el hidrógeno a partir de protones y electrones", dice Gutekunst, que también es miembro de la red de investigación del Centro de Plantas de Kiel (KPC) de la Universidad de Kiel. "Los electrones utilizados en este proceso provienen de la fotosíntesis. Logramos fusionar la hidrogenasa con el llamado fotosistema I de tal manera que los electrones se utilizan principalmente para la producción de hidrógeno, mientras que el metabolismo normal continúa en menor medida", continúa Gutekunst. De esta manera, la cianobacteria modificada produce significativamente más hidrógeno solar que en experimentos anteriores.
La capacidad de repararse a sí misma
Ya existían enfoques similares para la producción de hidrógeno mediante la fusión de la hidrogenasa y el fotosistema in vitro, es decir, fuera de las células vivas en tubos de ensayo, o en las superficies de los electrodos en las células fotovoltaicas. Sin embargo, el problema de estos enfoques artificiales es que suelen ser de corta duración. La fusión de la hidrogenasa y el fotosistema debe ser laboriosamente recreada, una y otra vez. Por el contrario, el camino seguido por el equipo de investigación de Kiel tiene la gran ventaja de funcionar potencialmente de forma indefinida. "El metabolismo de las cianobacterias vivas repara y multiplica la fusión de la hidrogenasa y el fotosistema y la transmite a nuevas células durante la división celular, de modo que, en principio, el proceso puede continuar de forma permanente", enfatiza el líder del proyecto Gutekunst. "Con nuestro enfoque in vivo, logramos producir hidrógeno solar con una fusión de hidrogenasa y fotosistema en una célula viva por primera vez", continúa.
Uno de los retos actuales es el hecho de que la hidrogenasa se desactiva en presencia de oxígeno. La fotosíntesis 'normal' que continúa en las células vivas, durante la cual el oxígeno es liberado por la división del agua, inhibe así la producción de hidrógeno. Con el fin de eliminar el oxígeno, o más específicamente, para minimizar la cantidad liberada, las cianobacterias para la producción de hidrógeno están actualmente en parte cambiadas a la llamada fotosíntesis anoxigénica. Esto no se basa en la división del agua. Por lo tanto, los electrones para la producción de hidrógeno actualmente derivan en parte de la división del agua y en parte de otras fuentes. Pero el objetivo a largo plazo de los equipos de investigación de Kiel es utilizar sólo los electrones de la división del agua para la producción de hidrógeno.
Conceptos para la energía del futuro
En general, el nuevo enfoque in vivo ofrece una nueva y prometedora perspectiva para establecer la separación fotosintética del agua como medio de producción de hidrógeno verde y neutro para el clima, y así avanzar en la generación de energía sostenible. A mediano plazo, las nuevas investigaciones sobre las vías metabólicas de las cianobacterias en el grupo de Gutekunst se centran especialmente en aumentar aún más la eficiencia de la producción de hidrógeno solar. "Los resultados de la investigación de nuestro colega son un excelente ejemplo de cómo la investigación fundamental sobre plantas y microorganismos puede contribuir a resolver los desafíos sociales", subraya la portavoz del KPC, la profesora Eva Stukenbrock. "Así pues, estamos haciendo una importante contribución en Kiel para desarrollar una economía sostenible del hidrógeno como una alternativa viable para un suministro seguro de energía del futuro", continúa Stukenbrock.
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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