Un grupo de químicos de la Universidad de Chicago ha desarrollado un nuevo sistema de fotosíntesis artificial que supera a los sistemas artificiales existentes. Publicado en Nature Catalysis, los seis químicos descubrieron un método que podría utilizarse para producir otros productos químicos.
“Sin la fotosíntesis natural, no estaríamos aquí. Produjo el oxígeno que respiramos en la Tierra y es responsable de los alimentos que consumimos”, dijo el químico de la Universidad de Chicago, Wenbin Lin, en un comunicado. “Pero nunca será lo suficientemente eficiente como para suministrar combustible para nuestros automóviles, así que necesitaremos algo diferente”.
Lin agregó que incluso la naturaleza no tiene una solución para la cantidad de energía que usamos. “Tendremos que hacerlo mejor que la naturaleza, y eso da miedo”, dijo Lin.
Los científicos ahora están modificando los sistemas de una planta para crear nuestro tipo de combustible. “Esta es una gran mejora con respecto a los sistemas existentes, pero igual de importante, pudimos comprender claramente cómo funciona este sistema artificial a nivel molecular, lo cual no se había logrado antes”, dijo Lin, quien es el autor principal del estudio.
La fotosíntesis regular produce carbohidratos a partir de dióxido de carbono y agua, pero la fotosíntesis artificial podría producir etanol, metano u otros combustibles. La fotosíntesis crea carbohidratos que podrían alimentarnos, pero no a nuestros autos. Entonces, los investigadores que profundizaron para crear alternativas a los combustibles fósiles tuvieron que “rediseñar el proceso para crear combustibles más densos en energía, como el etanol o el metano”, según el comunicado.
Proteínas y pigmentos en una hoja absorben agua y dióxido de carbono, descomponen las moléculas y reorganizan los átomos para hacer carbohidratos. Los científicos tuvieron que producir una disposición diferente: solo hidrógeno rodeando al CH4, metano.
Manipularlo, sin embargo, no fue fácil; la gente ha estado intentándolo durante décadas. Pero Lin y su equipo agregaron un elemento que los sistemas de fotosíntesis artificial no habían incluido: aminoácidos.
Notaron que los aminoácidos ayudaban a que la reacción fuera más eficiente. Sin embargo, la fotosíntesis artificial todavía está lejos de producir suficiente combustible para un uso generalizado. “En el punto en el que nos encontramos ahora, tendría que aumentar significativamente para producir una cantidad suficiente de metano para nuestro consumo”, dijo Lin.
El método también se puede aplicar a otras reacciones químicas. “Muchos de estos procesos fundamentales son iguales”, dijo Lin. “Si desarrollas buenas químicas, se pueden integrar en muchos sistemas”. Sin embargo, se necesita producir mucha cantidad de combustible para que tenga un impacto significativo.
Resumen del Estudio:
Las enzimas han evolucionado para catalizar transformaciones químicas desafiantes con alta eficiencia y selectividad. Aunque se han desarrollado varios sistemas artificiales para recapitular la actividad catalítica de las enzimas naturales, en su mayoría se limitan a catalizar reacciones relativamente simples debido a su capacidad para imitar solo los centros metálicos activos de las enzimas naturales, sin incorporar los aminoácidos próximos o los cofactores. Aquí informamos sobre una enzima artificial basada en un marco metal-orgánico (metal-orgánico-enzima, MOZ) mediante la integración de centros metálicos activos, aminoácidos próximos y otros cofactores en una capa monomolecular de marco metal-orgánico ajustable. Diseñamos dos bibliotecas de MOZ para realizar reacciones fotocatalíticas de reducción de CO2 y oxidación de agua. A través de la sintonización de los aminoácidos incorporados en los MOZ, optimizamos sistemáticamente la actividad y selectividad de estas bibliotecas. Combinar estos MOZ optimizados en un solo sistema realiza la fotosíntesis artificial completa en la reacción de (1 + n) CO2 + 2H2O → CH4 + nCO + (2 + n/2) O2.
