Científicos de Oxford han rediseñado mediante bioingeniería las bacterias Shewanella oneidensis para que actúen como "nano-reactores de hidrógeno" eficientes.
Este enfoque innovador, publicado en Proceedings of the National Academy of Science (PNAS), aprovecha la energía renovable para dividir el agua y producir hidrógeno, allanando el camino hacia una fuente de combustible de hidrógeno rentable y sin emisiones de carbono.
El hidrógeno podría desempeñar un papel clave para ayudarnos a lograr emisiones netas cero, ya que se quema de forma limpia sin liberar CO2. Sin embargo, la producción industrial actual de hidrógeno depende en gran medida de los combustibles fósiles, y genera aproximadamente entre 11,5 y 13,6 kilogramos de emisiones de CO2 por kilogramo de hidrógeno producido.
En el nuevo estudio, los investigadores del Departamento de Ciencias de la Ingeniería de Oxford utilizaron un enfoque de biología sintética para convertir una especie de bacteria en un "bionano-reactor" celular para dividir el agua y producir hidrógeno utilizando la luz solar. Al generar un catalizador altamente eficiente, estable y rentable, se supera uno de los desafíos críticos que ha estado frenando el hidrógeno verde hasta la fecha.
SUSTITUYEN A METALES CAROS EN LA CATÁLISIS
El autor principal, el profesor Wei Huang (Departamento de Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Oxford), afirmó en un comunicado: "Actualmente, la mayoría de los catalizadores utilizados comercialmente para la producción de hidrógeno verde dependen de metales caros. Nuestro nuevo estudio ha proporcionado una alternativa convincente en forma de un biocatalizador robusto y eficiente. Esto tiene las ventajas de una mayor seguridad, capacidad de renovación y menores costos de producción, todo lo cual puede mejorar la viabilidad económica a largo plazo*.
En la naturaleza, microorganismos específicos pueden reducir protones (H+) a hidrógeno (H2) utilizando enzimas hidrogenasas, sin embargo, esto está limitado a bajos rendimientos debido a restricciones, como la baja tasa de transferencia de electrones. Hasta ahora, esto ha impedido que los microorganismos se utilicen como catalizadores de hidrógeno efectivos.
Para superar esto, los investigadores de Oxford diseñaron la bacteria Shewanella oneidensis para concentrar electrones, protones e hidrogenasa en el espacio entre la membrana interna y externa (conocido como espacio periplásmico, de 20 a 30 nm de ancho). Esta especie es *electroactiva*, lo que significa que puede transferir electrones hacia o desde superficies sólidas fuera de sus células.
Para mejorar la transferencia de electrones y protones, el equipo diseñó una bomba de electrones activada por luz (llamada rodopsina de Gloeobacter) en la membrana interna, lo que le permitió bombear protones de manera eficiente al periplasma en presencia de luz. La propia rodopsina de Gloeobacter se diseñó mediante la introducción del pigmento cantaxantina (que absorbe la energía de la luz) para impulsar el bombeo de protones al recolectar energía fotónica adicional de la luz solar. Además, se introdujeron nanopartículas de óxido de grafeno reducido y sulfato férrico para mejorar la transferencia de electrones. Finalmente, también se sobreexpresó la enzima hidrogenasa en el espacio periplásmico.
Cuando la cepa de S. oneidensis diseñada se expuso a los electrones de un electrodo, se logró un aumento de diez veces en el rendimiento de hidrógeno en comparación con una cepa de control no diseñada.
Según los investigadores, el sistema podría ampliarse para producir "hojas artificiales", con las células diseñadas impresas en tela de fibra de carbono. Cuando estas hojas artificiales se expongan a la luz solar, comenzarían inmediatamente a producir hidrógeno.
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