Esta es la nueva forma de hacer combustible a partir de luz solar: deje un microbio sin comida hasta casi morir y luego aliméntelo con dióxido de carbono e hidrógeno producidos con la ayuda de un panel solar. Un nuevo biorreactor alimenta microbios con hidrógeno extraído de agua separada por catalizadores especiales conectados a un circuito de energía fotovoltaica. Los investigadores afirman que este sistema –similar a una batería– podría superar a otros sistemas puramente biológicos o tecnológicos que convierten la luz solar en combustibles y otras moléculas útiles.

"Creemos que podemos hacerlo mejor que las plantas", comenta Joseph Torella del Boston Consulting Group, que ayudó a dirigir la investigación publicada el 9 de febrero en Proceedings of the National Academy of Sciences.

El proceso se inició en 2009 con unos catalizadores de separación de agua baratos desarrollados por el químico Daniel Nocera, ahora en la Universidad de Harvard. Estos catalizadores de cobalto-fosfato utilizan la electricidad para producir hidrógeno a partir del agua corriente. Pero el hidrógeno no cuajó como combustible alternativo, así que cuando Nocera llegó a Harvard, se asoció con la bioquímica Pamela Silver de la Harvard Medical School y su estudiante de posgrado Joseph Torella para construir un sistema híbrido que pudiese generar un combustible de mayor utilidad.

Uniendo máquinas y microbios, esta nueva "hoja biónica" obtiene las mejores ventajas de cada uno. Por un lado la energía fotovoltaica logra convertir en energía eléctrica mucha más luz solar que la fotosíntesis de bacterias o plantas, y los nuevos catalizadores pueden separar el agua corriente, incluso aguas sucias como la del río Charles, en Boston. Por otro los microbios –sean fotosintéticos o no– son eficientes convirtiendo la energía en moléculas útiles, ya sean alimentos, combustible o incluso productos farmacéuticos. Así que Torella y el resto del equipo unieron la placa fotovoltaica de separación de agua con Ralstonia eutropha, una bacteria del suelo que puede utilizar el hidrógeno (procedente de la separación del agua) para acelerar la creación de moléculas de carbono.

Usando una variante genéticamente modificada de R. eutropha, el equipo generó isopropanol (C3H8O), una molécula de alcohol que puede utilizarse como combustible –como el etanol o la gasolina– y que puede separarse fácilmente del agua.
 
La “hoja biónica” puede producir 216 mg de isopropanol por litro de agua, una eficacia que rivaliza con las plantas de maíz que generan granos ricos en almidón a partir de la luz solar. La clave es usar la variante de R. eutropha modificada y ponerla en un frasco sellado lleno de líquido libre de nutrientes, junto a hidrógeno y  CO2 disuelto. Unas cuantas transferencias tarro-tarro, una agitación vigorosa y tiempo hacen que la R.eutropha  cambie su crecimiento normal y entre en “modo de pánico”, induciendo a los microbios a alimentarse directamente del hidrógeno. La colonia resultante se colocó en el tarro con el separador de agua y un electrodo de acero inoxidable conectado a un conjunto fotovoltaico para proporcionar corriente. Después de unos cuantos días, la nueva hoja biónica empezó a crecer generando isopropanol.

Esta no es la primera vez que R. eutropha se ha utilizado para producir combustible a partir de energía solar, pero esta investigación es la primera en poner al microbio en la misma cámara que la separación de agua, en lugar separar lo viviente de lo no viviente.

El nuevo trabajo también refleja el progreso de la ingeniería hacia el sueño de los electrocombustibles; combustibles líquidos generados a partir de electricidad, que fueron resultado de un programa innovador en marcha desde 2008 hasta 2012 como parte de la Advanced Research Projects Agency for Energy, o ARPA–E, que ayudó a inspirar esta investigación.

La idea es revertir la combustión y utilizar el producto de desecho de la quema de combustibles fósiles (CO2) para crear otros combustibles, al igual que lo hacen las plantas. "El petróleo y el gas no son fuentes sostenibles de combustible, de plástico, de fertilizantes ni de las otras muchas sustancias químicas producidas con ellos", afirma Torella. "La siguiente mejor opción tras el petróleo y el gas es la biología, que en números globales produce 100 veces más carbono por año a través de la fotosíntesis que los humanos consumen del petróleo."

Mejorada, la hoja biónica permitiría la producción de combustibles, productos farmacéuticos u otras moléculas útiles siempre que haya luz solar y CO2. "Imagine un sistema creado en un vaso de agua que pueda producir sustancias químicas nuevas y útiles", comenta Silver. "La eficiencia será nuestro principal objetivo para la hoja biónica".

Esta mejora podría venir en forma de R. eutropha modificada, que sería más eficiente en este trabajo o más tolerante a condiciones muy duras, lo que ayudaría a producir más combustible. También podría ser un microbio totalmente diferente que transformase más fácilmente la mayor parte del CO2 a moléculas útiles. O por el contrario, los materiales de los electrodos podrían ajustarse para minimizar o eliminar los desafíos que presentan para el microbio.

El truco para mejorar el funcionamiento de la hoja biónica es operar a altos voltajes que ayuden a las células de R. eutropha a prosperar mientras producen gran cantidad de la molécula deseada. Voltajes más bajos permiten la producción adicional de las moléculas deseadas, pero con la gran desventaja de matar a las células a través de subproductos tóxicos del oxígeno, producidos en reacciones no deseadas en el electrodo. El oxígeno también plantea desafíos vitales en la fotosíntesis y que, en última instancia, podría significar que la hoja biónica sea superada por la “química no viva”. "¿Qué pasaría si cogemos hidrógeno y lo hacemos reaccionar térmicamente con [monóxido de carbono] o el propio CO2? " pregunta el químico Andrew Bocarsly de la  Universidad de Princeton, que ha trabajado con células electroquímicas que convierten el CO2 en combustible. Construir moléculas de gas de síntesis que utilizan el calor ya se realiza en la industria, así que “¿ahora cómo se comparan las eficiencias energéticas?  No tengo la respuesta."

Independientemente de cual sea el mejor método, revertir la combustión podría ayudar a resolver el problema del calentamiento global. De hecho, el producto final de la “hoja biónica” no tiene que ser isopropanol, sino que podrían ser muchas moléculas diferentes basadas en el carbono, incluso algún día, petróleo o gas natural. "La vía que se ha modificado para crear isopropanol tiene un flujo enorme de carbono", añade Silver, acerca de la hoja biónica. "En teoría, otras moléculas de combustible también se podrían hacer.”