Un equipo de investigadores con sede en EE. UU. que cuenta con científicos del MIPT ha ensamblado una estructura biológica a nanoescala capaz de producir hidrógeno a partir del agua utilizando la luz. Insertaron una proteína fotosensible en nanodiscos (fragmentos circulares de membrana celular compuestos por una bicapa lipídica) y mejoraron la estructura resultante con partículas de dióxido de titanio, un fotocatalizador. Los resultados de la investigación se publicaron en la revista ACS Nano.
Profesor vladimir chupinque tiene un ScD en química y dirige el Laboratorio de Química y Física de Lípidos en el Centro de Investigación de Mecanismos Moleculares del Envejecimiento y Enfermedades Relacionadas con la Edad del MIPT, señala:
Nuestros laboratorios que trabajan con proteínas de membrana, en particular con nanodiscos, se centran principalmente en cuestiones biofísicas y médicas. Sin embargo, el reciente estudio conjunto con nuestros colegas estadounidenses muestra que al juntar materiales biológicos y técnicos, los nanodiscos se pueden usar para obtener combustible de hidrógeno.
Combustible de hidrógeno
El hidrógeno es una de las fuentes de energía alternativas más limpias. Cuando se quema, el único producto que se forma es vapor de agua. Además, con un 45 por ciento o más, la eficiencia del combustible de hidrógeno es mucho mayor en comparación con menos del 35 por ciento de la gasolina o el diésel. Aunque los principales fabricantes de automóviles, como Toyota, Honda y BMW, ya están produciendo automóviles impulsados por hidrógeno, sus números siguen siendo modestos. El hidrógeno sigue siendo costoso de obtener, sobre todo debido al alto consumo de energía involucrado. Por esta razón, los investigadores están buscando formas de generar este combustible aprovechando otras fuentes de energía.
Energía verde
El hidrógeno se puede producir a partir del agua usando energía solar. El proceso involucrado requiere la presencia de compuestos especiales llamados fotocatalizadores. Entre ellos, el dióxido de titanio es uno de los más utilizados. Sin embargo, no es el fotocatalizador más efectivo, por lo que los investigadores hacen todo lo posible para aumentar su rendimiento moliéndolo hasta obtener un tamaño nanométrico, agregando impurezas, etc. Con ese fin, los científicos del Laboratorio Nacional Argonne en Illinois, EE. biología, ensamblando una nanoestructura hecha de dióxido de titanio y una proteína de membrana llamada bacteriorrodopsina. Al mejorar el rendimiento del otro, estos dos componentes sensibles a la luz forman un nuevo sistema cuyas capacidades superan con creces las de sus partes constituyentes.
La bacteriorrodopsina es una proteína fotosensible que forma parte de las membranas de algunas células microbianas. (De hecho, hay bastantes de esas proteínas, pero la que se usó en este estudio se tomó de Halobacterium salinarium.) Un extremo de la proteína sobresale por fuera de la célula, mientras que el otro extremo está por dentro. La luz del sol hace que la bacteriorrodopsina bombee protones fuera de la célula, lo que permite que la célula sintetice energía en forma de trifosfato de adenosina. Por cierto, el cuerpo humano produce un total de unos 70 kilogramos de ATP cada día.
nanodiscos
La tecnología moderna permite a los investigadores sintetizar vida artificialmente, sin células biológicas involucradas. Por lo tanto, las proteínas de membrana funcionales se pueden obtener utilizando varios medios que imitan el entorno natural de las proteínas. Entre estos medios disponibles para los científicos se encuentran los nanodiscos, fragmentos de membrana formados por fosfolípidos y rodeados por dos moléculas de proteína en una formación de doble cinturón. El tamaño de un nanodisco depende de la longitud de las dos proteínas en forma de cinturón. Como proteína de membrana, la bacteriorrodopsina pertenece a una membrana celular y, por lo tanto, se encuentra muy a gusto en un nanodisco, que es una estructura sorprendente diseñada para preservar la estructura de la proteína natural. Los nanodiscos se han utilizado para estudiar estructuras de proteínas de membrana, desarrollar agentes médicos y ahora se están reutilizando para la fotocatálisis. Asistidos por científicos de materiales del MIPT, los investigadores obtuvieron nanodiscos de 10 nanómetros de diámetro, con bacteriorrodopsina anidada en su interior.
Terminaron con hidrógeno.
El equipo disolvió nanodiscos en agua, junto con partículas de dióxido de titanio. Incluso agregaron algo de platino por si acaso, y no solo porque suena genial, sino porque hace que la fotocatálisis sea más efectiva. Dejados toda la noche en esa mezcla, los nanodiscos se adhirieron a las partículas catalíticas. La bacteriorrodopsina, la bomba de protones, se duplicó como una antena. Capturó la luz y transfirió su energía al dióxido de titanio, aumentando su sensibilidad a la luz. Además, la bacteriorrodopsina cumplía su función habitual de translocar protones, que se reducían dando hidrógeno gracias a la presencia del catalizador de platino. Debido a que se necesitan electrones para reducir los protones, los investigadores agregaron un poco de metanol a la solución para que sirva como donante de electrones. La mezcla se expuso a luz verde y blanca, produciéndose unas 74 veces más hidrógeno en el último caso. En promedio, la emisión de hidrógeno se mantuvo a un ritmo casi constante durante al menos 2 a 3 horas.
Aunque antes se habían realizado experimentos con una nanoestructura similar, utilizaron bacteriorrodopsina en una membrana celular natural. Reemplazándolo con nanodiscos, los investigadores descubrieron que podían producir tanto hidrógeno o más, e incluso requerían menos bacteriorrodopsina para la misma cantidad de dióxido de titanio. El equipo sospecha que esto podría atribuirse a la capacidad de los nanodiscos compactos y uniformes para interactuar de manera más uniforme con las partículas catalíticas. Aunque la bacteriorrodopsina natural sigue siendo la opción más barata, por ahora, es posible que la evolución de los métodos de biosíntesis artificial pronto haga de los nanodiscos una alternativa más factible.
