Avances Científicos

Fotosíntesis Artificial

Imagine una tecnología que no sólo proporcione una fuente de energía ecológica y renovable, sino que pudiera también ayudar a limpiar la atmósfera del excesivo dióxido de carbono resultante de la combustión de combustibles fósiles. Esto es lo que promete la versión artificial de la fotosíntesis, el proceso mediante el cual infinidad de vegetales han convertido la energía solar en energía electroquímica durante millones de años.

Para alcanzar este logro, sin embargo, los científicos necesitan un conocimiento mucho mejor de cómo lo hace la Naturaleza, comenzando con la recolección de la luz solar y el transporte de esta energía hacia los centros de reacción electroquímica.

Graham Fleming, un físico químico que ocupa cargos en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y en la Universidad de California en Berkeley, es el principal impulsor de un esfuerzo que ha sido puesto en marcha para descubrir cómo los vegetales son capaces de transferir energía a través de una red de complejos pigmento-proteína con casi un cien por cien de eficiencia.

En estudios previos, él y su grupo de investigación usaron una técnica basada en el láser, que desarrollaron para rastrear el flujo de energía de activación a través del tiempo y del espacio.

Ahora, por primera vez, han conseguido conectar ese flujo a funciones de transferencia de energía. Lo han hecho mediante la estrategia de proporcionar enlaces directos entre estructuras atómicas y electrónicas en los complejos pigmento-proteína.

En su estudio, los investigadores trabajaron con las funciones de transferencia de energía dentro de la proteína fotosintética FMO, un complejo en ciertas bacterias que sirve como un sistema modelo debido que consta de sólo siete moléculas de pigmento que se han caracterizado de manera detallada.

La línea de investigación es prometedora, y se espera conseguir avances importantes en ella.

La reingeniería de la fotosíntesis para hacer medicinas, ingredientes u otras sustancias de interés

Los pequeños paquetes de clorofila que hacen las plantas verdes han sido rediseñados en un avance hacia la transformación de plantas en bio-fábricas que hacen que los ingredientes para medicinas, compuestos, ingredientes, etc.

Un trabajo de investigación informa de avances en la reingeniería de la fotosíntesis para para transformar las plantas en bio-fábricas que fabrican ingredientes de alto valor para la medicinas, telas, combustibles y otros productos.

Poul Erik Jensen y sus colegas explican que la fotosíntesis hace más que transformar el dióxido de carbono y agua en azúcares y oxígeno y generar energía. Ese proceso también produce una gran cantidad de compuestos químicos naturales, muchos de los cuales tienen usos potenciales como medicamentos y otros productos comerciales.

Sin embargo, la evolución ha compartimentado esas funciones en dos áreas separadas de las células vegetales. Por un lado, los cloroplastos, los paquetes de clorofila que hacen a las plantas verdes generar energía y producir azúcar y oxígeno. Otra estructura, el retículo endoplasmático, produce una amplia gama de productos químicos naturales.

El informe describe cómo romper esa compartimentación evolutiva mediante la reubicación de una vía metabólica completa necesaria para la producción de productos químicos bioactivos naturales en el cloroplasto. Esto abre la vía para la síntesis de una amplia gama de compuestos químicos por parte del cloroplasto.

La información la da a conocer el boletín de la ACS, American Chemical Society, y en él se puede acceder al artículo original.

Descubrimiento importante en la eficacia de la fotosíntesis

Científicos de todo el mundo han estado estudiando las cuestiones relacionadas de cómo las plantas utilizan colores claros para la fotosíntesis más de 70 años.

Ahora, una investigación sobre la eficacia de la fotosíntesis en las distintas condiciones de iluminación ha respondido a algunas de las preguntas más importantes. Se ha demostrado que las plantas de manera eficiente adaptan sus hojas con los colores de luz, de esta manera, utilizar la luz disponible tan eficazmente posible.

Por otra parte, los científicos descubrieron que los pigmentos de las hojas que no están directamente implicados en la fotosíntesis, absorben la luz y no la usan para la fotosíntesis.

Este descubrimiento podría conducir al desarrollo de las plantas que producen más alimentos mediante la reducción de la cantidad de estos pigmentos no fotosintéticos.

Esto se aplica principalmente a cultivos, tales como invernaderos, donde al menos algunos de los pigmentos no fotosintéticos tienen una función protectora, por ejemplo contra los rayos UV o daños por insectos.

Estos factores son menos importantes en el cultivo en interior que en campo abierto.

El descubrimiento podrá ser utilizado con fines mucho más productivos en los cultivos y obtener una mayor producción de las mismos en periodos más cortos de tiempos.

Bacterias marinas podrían proporcionar grandes avances para paneles solares

Las bacterias que habitan en las profundidades del mar, a más de un kilómetro bajo la superficie del océano, donde la luz es escasa, han adaptado formas biológicas que les permiten aprovechar de la mejor manera las diminutas cantidades de luz que llegan hasta ellas.

Las bacterias que habitan en las profundidades del mar, a más de un kilómetro bajo la superficie del océano, donde la luz es escasa, han adaptado formas biológicas que les permiten aprovechar de la mejor manera las diminutas cantidades de luz que llegan hasta ellas y, en algunos casos, pueden usar la fotosíntesis para convertir el 100% de la luz que reciben en electricidad.

En contraste, un panel solar típico convierte alrededor del 15% de la luz que recibe en electricidad. Una nueva investigación de la Universidad de Cambridge decidió estudiar las proteínas captadoras de luz de las bacterias verdes sulfurosas para ver si pueden aportar avances en materia de energía solar y otros dispositivos eléctricos. La investigación se encuentra en un área conocida como biología cuántica.

Los organismos que realizan fotosíntesis usan una red de pigmentos que se mantienen en su lugar gracias a estructuras proteicas, o algo que los científicos llaman complejos proteína-pigmento, donde los electrones se cosechan. En muchos organismos, a medida que los electrones se mueven a través del sistema se pierde energía. Eso es diferente en las bacterias verdes sulfurosas, las cuales son capaces de mover los electrones a través de sus sistemas fotosintéticos sin perder energía en el camino. El aumento de la eficiencia en las células solares (que constituyen los paneles solares) es uno de los puntos más importantes de las firmas que se dedican a su elaboración. Cuanto mayor sea la eficiencia de las células, más electricidad puede ser creada por el panel y menos células se necesitan.

Las compañías solares han trabajado de forma diligente en estas innovaciones durante los últimos años a medida que los paneles solares básicos se vuelven objeto de consumo general. Por ejemplo, Alta Derviches fabrica células que pueden aprovechar hasta un 28,8% de la luz del sol. Pero esos tipos de células solares son costosas y muchas aún se encuentran en fases de investigación y desarrollo.

Científicos aplican principios de la fotosíntesis para abastecer de energía al mundo

Científicos aplicaron los principios de la fotosíntesis para desarrollar una nueva forma de producir hidrógeno que ofrece una posible solución a los problemas mundiales de energía.

Los investigadores afirman que este hallazgo podría ayudar a destrabar el potencial del hidrógeno como fuente limpia, barata y confiable de energía. A diferencia de los combustibles fósiles, el hidrógeno se puede quemar para producir energía sin generar emisiones. Es el elemento más abundante en el planeta.

El gas hidrógeno se produce separando el agua en los elementos que la constituyen: hidrógeno y oxígeno. Pero durante décadas los científicos han batallado para encontrar una forma de no extraer ambos elementos al mismo tiempo, lo cual constituiría un procedimiento más eficiente y reduciría el riesgo de explosiones peligrosas.

Científicos de la Universidad de Glasgow (Escocia) explican a grandes rasgos el método con el que han logrado reproducir la forma en que las plantas utilizan la energía del Sol para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno en momentos separados y en ubicaciones físicas diferentes.

Los expertos lo anunciaron como un “importante” descubrimiento, y señalaron que podría llegar a hacer del hidrógeno una fuente viable de energía. Hasta ahora los científicos han separado átomos de hidrógeno y oxígeno usando electrólisis, que implica pasar una corriente eléctrica por agua. Es un procedimiento que consume mucha energía y potencialmente explosivo, porque el oxígeno y el hidrógeno se retiran al mismo tiempo.

Como el hidrógeno no se da aislado en la naturaleza, se requiere energía para producirlo. Esta nueva versión de la electrólisis tarda más, pero es más segura y consume menos energía por minuto, lo cual facilita usar fuentes renovables de energía para obtener la electricidad necesaria para separar los átomos.

La naturaleza inspira membrana fotosintética artificial capaz de regenerar el NADH

Liu Jian y Antonietti Markus, del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces, han hecho un avance significativo en la fotocatálisis carbono nitruro.

Ellos demuestran de forma impresionante el uso de una membrana fotosintética bioinspirado en la regeneración fotocatalítica de NADH sin un mediador de electrones en su reciente Comunicación EES. Los autores construyeron su sistema de fotosíntesis artificial a partir de un material verde y sostenible llamado diatomita por un metodo de "impregnación incipiente humedad"

El fotocatalizador de carbono grafítico nitruro fue diseñado con una estructura que imita diatomeas, que son organismos fotosintéticos unicelulares responsables de alrededor de una quinta parte de la fotosíntesis del rendimiento global.

El interés en la aplicación de enzimas para la síntesis orgánica está aumentando, debido a su alta eficiencia y regio selectividad.

Sin embargo, la enzima específicos de co-factores son costosos y el procedimiento de catalizar enzimas regeneradas de NAD (P) H es complicado.

Un método eficiente y sostenible para la regeneración de NADH es vital.

Fotosistema I, un complejo de proteína de membrana integral, utiliza la energía luminosa para mediar la transferencia de electrones para la reducción de NADP a NADPH, almacenar la energía de la luz en química. Imitando la función del fotosistema I es muy prometedor, rentable y sostenible por sí.

Una babosa de mar se vuelve fotosintética aprovechando los genes robados de las plantas que come

Ahora los investigadores han encontrado cómo lo hace un animal. La Elysia chlorotica es una babosa de mar de color verde chillón, con un cuerpo gelatinoso con forma de hoja, que vive a lo largo del litoral Atlántico de EE.UU. Lo que la separa de la mayor parte de las otras babosas de mar es su capacidad de funcionar con energía solar.

La Elysia chlorotica obtiene los cloroplastos -objetos celulares verdes que les permiten a las células de las plantas convertir la luz solar en energía- de las algas que come, y los almacena en las células que cubren su intestino, es decir que ella realiza una fotosíntesis con genes "robados" de las algas que come. Estas estructuras llamadas plástidos se mueven luego a la “piel” del caracol, y una vez allí siguen realizando la fotosíntesis. Así es que la chlorótica puede producir sus alimentos al estilo vegetal. Esos plástidos pueden continuar durante meses funcionando.

Hace poco un grupo de científicos estudió su genoma, y descubrieron que son más similares a las plantas de lo que antes se creía. El asunto es que los plástidos no pueden funcionar por sus propios medios, necesitan algunas proteínas como ayuda para hacerlo. Esas proteínas están en las algas. Lo que descubrieron los científicos de la Universidad de Maine es que la chlorótica tiene en su ADN el gen necesario para la fotosíntesis.

Pero quedaba un misterio. Los cloroplastos sólo contienen suficiente ADN para codificar aproximadamente el 10% de las proteínas necesarias para seguir funcionando. Los otros genes necesarios se encuentran en el ADN nuclear de las algas.

Un láser de rayos X capta la fotosíntesis en acción

Investigadores utilizaron un láser de rayos X en el Departamento de Energía National Accelerator Laboratory', en California (Estados Unidos), para mirar simultáneamente el comportamiento de la estructura y la química de un catalizador natural involucrado en la fotosíntesis, con el fin de conocer mejor la manera en la que las plantas generan el oxígeno que respiramos. La obra, hecha posible por los pulsos ultrarápidos de rayos X en la fuente de luz coherente de Linac SLAC (LCLS), es un gran avance en el estudio a escala atómica de las transformaciones en la fotosíntesis y otros procesos biológicos e industriales que dependen de catalizadores para acelerar las reacciones de manera eficaz.

Los catalizadores son esenciales para muchos procesos industriales, como la producción de combustibles, alimentos, productos farmacéuticos y fertilizantes, y representan 9.000 millones de euros anuales en el mercado de Estados Unidos. Si se puede aprender a hacerlo como lo hace la naturaleza, se puede aplicar a principios de diseño de sistemas artificiales, como la creación de fuentes de energía renovables. Esto abre el camino para aprender mucho acerca de los cambios que ocurren en el ciclo catalizado.

El experimento LCLS se centró en el fotosistema II, un complejo de proteínas en plantas, algas y algunos microbios que lleva a cabo la etapa de producción de oxígeno de la fotosíntesis. Este proceso de cuatro pasos tiene lugar en un catalizador simple: un grupo de calcio y átomos de manganeso. En cada paso, el fotosistema II absorbe un fotón de luz solar y libera un protón y un electrón, que proporcionan la energía para unir dos moléculas de agua, los rompen y liberan una molécula de oxígeno.

En experimentos futuros, estos investigadores esperan poder estudiar todos los pasos llevados a cabo por el fotosistema II en una resolución más alta, dejando al descubierto la completa transformación de moléculas de agua en moléculas de oxígeno, algo que se considera una clave para desbloquear el uso potencial del sistema en la fabricación de combustibles alternativos.

Árboles que generan energía limpia

Investigadores de la Universidad de Shangai Jiaotong en China, quienes durante años han estado analizando las propiedades de la fotosíntesis de las plantas, lograron crear una estrategia de diseño para obtener una hoja artificial que podría ser utilizada para dividir el agua en sus partes componentes: hidrógeno y oxígeno.

El estudio de los científicos en China está centrado en una hoja inorgánica artificial basada en una planta alterada mediante la inyección controlada de partículas de dióxido de titanio para producir cantidades significativas de hidrógeno. "Este concepto podría ofrecer una nueva visión en el diseño de sistemas artificiales fotosintéticos basados en ejemplos biológicos para la construcción de un prototipo de trabajo que explote los recursos de energía sostenible.

Los científicos primero inyectaron dióxido de titanio en hojas de una especie llamada Anemona vitifolia (una planta nativa de China) en un proceso de dos pasos. Luego, utilizando técnicas avanzadas de espectroscopia, los investigadores confirmaron que las características estructurales de estas “nuevas” hojas favorecían la recolección y aprovechamiento de la luz y descubrieron que esta nueva variedad resultante de hojas era ocho veces más activa en la producción de hidrógeno que el propio titanio.

Según los científicos, los resultados iniciales representan un primer paso importante hacia la construcción del prototipo de una hoja artificial. Desde hace cuatro décadas, en el ambiente científico se ha extendido el interés por la creación de sistemas artificiales que imiten a la fotosíntesis. Con frecuencia, lo que se hace es reemplazar a la clorofila por una amalgama de compuestos químicos, ya sean orgánicos o inorgánicos, que tienen la capacidad de captar la luz. Según los informes de los resultados, con esta planta “dopada” por los científicos chinos, las perspectivas son prometedoras y los investigadores son optimistas a la hora de avanzar hacia un nuevo concepto en la generación de energías más limpias y eficientes.

Los verdes contra los fósiles

La multinacional Shell presentó un estudio sobre el futuro de los combustibles, el cual realizó con dos institutos privados que se dedican a ecología y sostenibilidad. Una de las principales conclusiones de esa investigación es que el uso de los biocombustibles se dará cada vez en una mayor proporción.

Actualmente en países como Alemania el combustible derivado de vegetales o con un componente energético de vegetales alcanza el 5.6% del total, según Jörg Abel, jefe del departamento económico de Shell en el país germano. Además se espera que para el 2030 esa proporción sea hasta 20%, y hasta un 70% en el 2050.

Las críticas que se han hecho contra esta industria parten del hecho de que para producir este tipo de combustible se usa maíz, caña de azúcar y otros alimentos, lo cual entra en conflicto con el problema del hambre en el mundo. Frente a ello, el informe subraya que se está trabajando con productos de segunda generación, que consisten en partes de vegetales no usados para la alimentación, como tallos, hojas, raíces y otros restos no alimenticios.

Por otra parte, se espera que en los próximos diez años los motores de los automóviles tiendan a fabricarse con capacidad para usar un porcentaje más alto de biocombustibles.

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