Extrayendo electrones "verdes" con nanotecnología

Estructura celular del alga eucariota Chlamydomonas reinhardii. La mayor parte de su ciclo de vida es en fase haploide. Contiene un gran cloroplasto y posee dos flagelos. Es uno de los microorganismos más usados en biotecnología por el hecho de que es posible manipular genéticamente tanto sus cromosomas nucleares como los cromosomas del cloroplasto y de las mitocondrias. (Fuente: Metamicrobe )

Durante la fotosíntesis, la energía de la luz absorbida por los centros de reacción fotosintéticos es aprovechada para romper la molécula de agua (H2O) y generar así oxígeno (O2), protones (H⁺), un gradiente de pH a través de la membrana fotosintética, y electrones de alta energía (e^-). La energía acumulada en el gradiente de pH y en los electrones es aprovechada por la célula para reducir el carbono inorgánico (CO2) y así producir azúcares y polisacáridos como el almidón. Esos polisacáridos pueden ser recolectados y ser la fuente de numerosas fuentes de bioenergía como por ejemplo: lípidos, alcoholes, hidrógeno. Sin embargo sólo una pequeña fracción de la energía solar que es absorbida durante la fotosíntesis (un 27 %) puede ser convertida en polisacáridos. La transformación posterior de estos en productos que puedan ser explotados comercialmente hace que la cantidad de energía realmente aprovechada sea tan sólo un 6 %.

Diseño experimental. En la figura de la izquierda se representa una célula de Chlamydomonas reinhardii con el nanoelectrodo insertado en su cloroplasto. A la derecha se muestran los dos posibles escenarios donde el nanoelectrodo captura a los electrones de alta energía producidos por la fotosíntesis. (Fuente: Ryu et al. )

Científicos de la Universidad de Stanford han conseguido manipular el proceso de fotosíntesis en algas unicelulares del género Chlamydomonas reinhardii, con el objetivo de generar bioelectricidad mediante la extracción de los electrones directamente del transporte de electrones fotosintético (en inglés PET) antes de que estos sean usados para fijar el CO2 convirtiéndolo en azúcares y polisacáridos. De esa forma esperan aprovechar sustancialmente la energía del proceso fotosintético. Sus resultados han sido publicados en la revista Nano Letters.

En primer lugar han utilizando un sistema de canal de microfluidos donde las células del alga son inmovilizadas en una micro-trampa mediante un flujo capilar. Una vez inmovilizadas se les inserta un nanoelectrodo de oro conectado a un sistema de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM). La inserción del nanoelectrodo en el cloroplasto permite la extracción directa de los electrones de la fotosíntesis mientras el alga esté viva.

Inmovilización de Chlamydomonas reinhardii en una microtrampa. Arriba se representa el sistema experimental con los tres componentes principales: el nanoelectrodo acoplado a un Microscopio de fuerza atómica (Nano-EC/AFM electrode), el capilar y la microtrampa donde es atrapada la célula y un microscopio confocal que permite la visualización de la célula y la punta del nanoelectrodo (fotografía pequeña). La microfotografía inferior izquierda muestran varias células redondas atrapadas en las microtrampas (estructura triangular) de diversos capilares listas para ser usadas. En la microfotografía inferior derecha se muestra a una célula con el nanoelectrodo insertado (Fuente: Modificado a partir de Ryu et al. )

Cada célula puede llegar a producir un picoamperio (10^-12 A) cuando se alcanzan intensidades de luz de 100 mmol fotones s^-2 m^-1. Es una cantidad de electricidad tan pequeña que hacen falta un billón de células (10¹²) fotosintetizando durante una hora para generar una cantidad de energía semejante a la almacenada en una pila pequeña de 1’5 V. Este procedimiento consigue captar un 20% de la energía que se consigue captar mediante la fotosíntesis y dentro del campo de los biocombustibles, puede ser el primer paso hacia la generación de bioelectricidad en un proceso con una alta eficiencia y sin que se produzca CO2. Los autores reconocen que el desarrollo de esta tecnología necesitará el desarrollo e investigación en diversos campos, como por ejemplo el desarrollo de especímenes biológicos más resistentes al procedimiento (el alga sólo sobrevive una hora), diseñar nuevos electrodos que permitan una mejor captura de los electrones y sobre todo, escalarlo para que pueda ser económicamente rentable. Está claro que aún queda mucho por hacer.

La gráfica de la izquierda muestra la corriente electrica producida tras iluminar a una célula de Chlamydomonas. La figura de la derecha muestra la relación lineal entre la intensidad de la corriente eléctrica y la intensidad de la luz en el rango de 4−108 μmol foton m⁻² s⁻¹. (Fuente: Modificado a partir de Ryu et al. )

Esta entrada participa en el 6º Carnaval de la Física

Ryu, W., Bai, S., Park, J., Huang, Z., Moseley, J., Fabian, T., Fasching, R., Grossman, A., & Prinz, F. (2010). Direct Extraction of Photosynthetic Electrons from Single Algal Cells by Nanoprobing System Nano Letters, 10 (4), 1137-1143 DOI: 10.1021/nl903141j