La hoja de un árbol, una brizna de hierba, una sola célula de alga: todas crean combustible a partir de la simple combinación de agua, luz solar y dióxido de carbono mediante el milagro de la fotosíntesis. Ahora los científicos dicen que han replicado –y mejorado– ese truco mediante la combinación de química y biología en una hoja "biónica".

El químico Daniel Nocera de la Universidad de Harvard y su equipo unieron fuerzas con Pamela Silver, bióloga sintética de la Escuela de Medicina de la misma universidad y su equipo para elaborar un tipo de batería viviente, lo que ellos llaman una hoja biónica por su fusión de biología y tecnología. El dispositivo utiliza electricidad solar proveniente de un panel fotovoltaico para alimentar la reacción química que separa el agua en oxígeno e hidrógeno, a continuación, añade microbios hambrientos que se alimentan de hidrógeno y convierten el CO2 en el aire en alcoholes combustibles. El primer dispositivo de fotosíntesis artificial del equipo apareció en 2015 –bombeando 216 miligramos de alcohol por litro de agua– pero el catalizador de níquel, molibdeno y zinc que hacía posible la reacción química de separación del agua tenía el desafortunado efecto secundario de envenenar a los microbios.

Así que el equipo se dispuso a buscar un mejor catalizador, uno que tratase bien a los organismos vivos mientras separaba el agua de manera efectiva. Tal como el equipo informó en Science el 2 de junio, lo encontraron en una aleación de cobalto y fósforo, una amalgama ya en uso como revestimiento anticorrosivo de piezas de plástico y metal, que se encuentran en todas partes, desde grifos a placas de circuitos. Con una pequeña carga eléctrica, este nuevo catalizador puede  auto-ensamblarse a partir de una solución de agua, cobalto y fosfato –y, de hecho, el fosfato en agua es bueno para seres vivos como las bacterias Ralstonia eutropha que componen la mitad posterior de la hoja biónica–. Haga pasar una corriente eléctrica a partir de un dispositivo fotovoltaico con un voltaje lo suficientemente alto a través de esta solución y separará los componentes del agua. Ese voltaje es también mayor de lo que se necesita para inducir la precipitación del cobalto en la solución y formar el catalizador de fosfuro de cobalto, lo que significa que cuando la hoja biónica se ejecuta siempre hay suficientes electrones alrededor para inducir la formación del catalizador –por lo tanto no hay un exceso de metal que envenene a los microbios o pare la separación del agua de la hoja biónica–. "El catalizador no puede morir nunca, ya que está funcionando", dice Nocera, señalando que la nueva hoja artificial ha sido capaz de funcionar durante 16 días seguidos.

Además, el nuevo catalizador de cobalto separa el agua en hidrógeno y oxígeno sin crear la clase de moléculas de oxígeno reactivas que pueden dañar el ADN u otros procesos esenciales para la vida. "Todavía no sé por qué", dice Nocera. "Eso va a ser divertido de averiguar".

Con este nuevo catalizador en la hoja biónica, el equipo aumentó la eficiencia de la versión 2.0 al incrementar la producción de combustibles de alcohol, como isopropanol e isobutanol, en aproximadamente un 10 por ciento. En otras palabras, por cada kilovatio-hora de electricidad utilizado, los microbios podrían tomar 130 gramos de CO2 de 230.000 litros de aire para hacer 60 gramos de combustible isopropanol. Eso es mejor que la eficiencia de la fotosíntesis natural, al convertir agua, luz del sol y aire en energía almacenada.

Y no hay ninguna razón para pensar que no se podría hacer que R. eutropha generara otros productos –tal vez moléculas de hidrocarburos complejos, como los que se encuentran en los combustibles fósiles o incluso toda la gama de productos químicos que en este momento se sintetizan con recursos contaminantes, como los fertilizantes–. "Usted tiene bichos que se alimentan de hidrógeno como única fuente de alimento, y el hidrógeno procedió de la disociación del agua mediante energía solar. Así que usted tiene bichos renovables y la biología sintética para hacerlos hacer cualquier cosa", dice Nocera. "Puede empezar a pensar en una industria de productos químicos renovables". El equipo híbrido informa en el artículo de Science que ya han inducido a R. eutropha a hacer una molécula que en última instancia puede ser transformada en plásticos.

La idea fundamental es revertir la combustión y usar el remanente de la quema de combustibles fósiles –el CO2 que se acumula en la atmósfera– para construir combustibles renovables, al igual que lo hacen las plantas. Pero la hoja biónica no competirá a corto plazo en precio con los combustibles fósiles excavados del suelo, sobre todo porque los microbios todavía no hacen una gran cantidad de combustible rápidamente. La hoja biónica más grande hasta la fecha está en una maceta de un litro de capacidad, aunque el equipo no ha descubierto ningún limitante para hacerla más grande.

Al tejer combustibles a partir del exceso de CO2 en el aire, este nuevo bio-reactor podría ayudar a mitigar problemas de calentamiento y contaminación del planeta, al mismo tiempo que provea  combustibles más limpios a personas que actualmente no tienen acceso a energía moderna. "Esta ciencia se puede hacer en el patio de su casa. No necesita una infraestructura masiva de millones de dólares", dice Nocera.

"Al integrar la tecnología de la biología y la química orgánica surge un camino muy poderoso donde se toma lo mejor de ambos mundos", añade. "Tomé aire, luz del sol, y agua y fabriqué cosas a partir de eso, y lo hice 10 veces mejor que la naturaleza. Eso me hace sentir bien".