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Unos nuevos enfoques de la biología sintética mejoran la captación de energía solar mediante bacterias

Combinar bacterias con la tecnología no solo puede impulsar la fotosíntesis, sino que proporciona nuevas formas de obtener energía limpia, ilimitada y barata de la luz del sol. Los nuevos enfoques sintéticos y hallazgos experimentales de SYNTHPHOTO permiten avanzar hacia esta realidad.

Energía

Las plantas, algas y bacterias captan la luz del sol y la transforman en energía química a través de la fotosíntesis. Estos fotótrofos recolectan la luz solar gracias a millones de pigmentos fotosintéticos, como la clorofila y la bacterioclorofila, contenidas en cada célula fotosintética. Para poder absorber la energía de la luz y transmitirla a las reacciones que necesitan energía de la fotosíntesis, estos pigmentos deben adherirse a las estructuras centrales de proteínas especializadas. El proyecto SYNTHPHOTO, financiado con fondos europeos, arrojó aún más luz sobre este mecanismo de unión poco conocido. «Queremos averiguar cómo se forman los complejos pigmento-proteína y cómo inician un proceso que finalmente da lugar a la producción de adenosín trifosfato, un producto químico orgánico complejo que alimenta miles de reacciones químicas que permiten que las células crezcan y se dividan. Estos complejos cosechadores de luz no solo aportan energía para la vida, sino que también esconden el secreto de cómo diseñar los dispositivos que un día podrían proporcionar energía ilimitada y verdaderamente limpia de la luz del sol», señala el profesor Neil Hunter, coordinador de SYNTHPHOTO. Investigación de la biosíntesis de la clorofila Un grupo de investigadores en el laboratorio Hunter han clonado y secuenciado muchos de los genes de la ruta biosintética de la clorofila a partir de «Rhodobacter sphaeroides» (una bacteria fotosintética púrpura) y de la cianobacteria «Synechocystis». Lograron producir muchos de ellos en forma activa en «Escherichia coli». Centrándose en la enzimología de esta ruta, el equipo descubrió las reacciones enzimáticas en que se basan el primer y tercer paso de la biosíntesis de la clorofila, así como la auténtica identidad de la enzima que confiere el color verde a las plantas, y que es tan predominante que puede observarse desde el espacio exterior. Es más, se trata de la primera vez que unos investigadores reconstituyen con éxito la ruta biosintética de la clorofila en un organismo no fotosintético. «Hemos logrado combinar módulos en "Escherichia coli" que producen toda la ruta de la clorofila. Nuestros resultados describen un conjunto mínimo de enzimas necesario para producir clorofila y crear una plataforma para la fotosíntesis sintética en organismos modelo heterotróficos», destaca el profesor Hunter. Revelación de la estructura de los complejos cosechadores de luz Gracias al uso de un microscopio de fuerza atómica, técnicas de cristalografía y datos de microscopios de electrones, los investigadores crearon por primera vez modelos a escala atómica de todos los ensamblajes de la membrana fotosintética de «Rhodobacter sphaeroides». El modelo predijo satisfactoriamente el tiempo de duplicación de la bacteria, un resultado destacable. Otro logro importante ha sido la determinación de una estructura proteica fotosintética que recolecta y retiene luz infrarroja y la convierte en carga eléctrica. La investigación pionera se llevó a cabo en un complejo fotosintético de la bacteria «Blastochloris viridis», capaz de recolectar y utilizar luz de longitudes de onda superiores a 1 000 nm, el límite rojo de la fotosíntesis en la Tierra. Estructuras híbridas para mejorar la recolección de luz Empleando los métodos de la biología sintética, los investigadores crearon el primer complejo fotosintético híbrido en bacterias, que aumenta la eficacia de la recolección de luz del sol en comparación con la fotosíntesis natural. Además, el equipo presentó nuevos productos químicos de superficie y métodos para crear nanopatrones que facilitan la construcción de arquitecturas novedosas para la transferencia y retención conjunta de energía. En particular, fabricaron patrones a escala nanométrica de complejos fotosintéticos en monocapas autocombinadas depositadas sobre oro y silicio empleando varios métodos litográficos. «Este tipo de conjuntos artificiales de recolección de luz mejorarán la comprensión de los sistemas naturales de conversión de energía y podrían orientar el diseño y la producción de unos dispositivos de demostración de principios que puedan captar, convertir y almacenar energía solar», concluye el profesor Hunter. En el futuro esto podría tener numerosas aplicaciones en la industria de la energía.

Palabras clave

SYNTHPHOTO, fotosíntesis, bacterias, pigmento, biología sintética, energía solar, complejo recolector de luz, biosíntesis de la clorofila

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