06.05.2020 – Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)

Cómo las cianobacterias pueden ser transformadas en fábricas de hidrógeno

En la Universidad de Kiel, asociado al Profesor Rüdiger Schulz, el grupo de investigación junior “Bioenergética en Fotoautotrofas” del Instituto Botánico, dirigido por la Dra. Kirstin Gutekunst, investiga cómo este ciclo de carbono – y las emisiones de CO2 resultantes – pueden ser evitadas durante la conservación de la energía. “Para este propósito, el almacenamiento de energía solar directamente en forma de hidrógeno es particularmente prometedor – esto no crea CO2 y la eficiencia es muy alta debido a la conversión directa”, dice Gutekunst para explicar su enfoque de investigación. Con su equipo, investiga una cianobacteria específica: a través de la fotosíntesis, puede producir hidrógeno solar durante unos minutos, que sin embargo es posteriormente consumido completamente por la célula. En su estudio actual, los investigadores de Kiel describen cómo este mecanismo podría utilizarse potencialmente para aplicaciones biotecnológicas en el futuro: fueron capaces de acoplar una enzima específica de la cianobacteria viva, la llamada hidrogenasa, con la fotosíntesis de tal manera que la bacteria produce hidrógeno solar durante largos períodos de tiempo, y no lo consume.

Las cianobacterias como fábricas de hidrógeno

Al igual que todas las plantas verdes, las cianobacterias son capaces de realizar la fotosíntesis. Durante este proceso, la energía solar se utiliza para dividir el agua y almacenar la energía solar químicamente, especialmente en forma de azúcar. Los electrones pasan a través de los llamados fotosistemas, en los que sufren una cascada de reacciones que finalmente producen el portador de energía universal adenosín trifosfato (ATP) y los llamados equivalentes reductores (NADPH). El ATP y el NADPH se requieren posteriormente para la fijación del CO2 para producir azúcar. Así pues, los electrones necesarios para la producción de hidrógeno normalmente forman parte de los procesos metabólicos que proporcionan a las cianobacterias energía almacenada en forma de azúcar. El equipo de investigación de Kiel ha desarrollado un enfoque para redirigir estos electrones y estimular el metabolismo de los organismos vivos para producir principalmente hidrógeno.

“La cianobacteria que investigamos utiliza una enzima, la llamada hidrogenasa, para producir el hidrógeno a partir de protones y electrones”, dice Gutekunst, que también es miembro de la red de investigación del Centro de Plantas de Kiel (KPC) de la Universidad de Kiel. “Los electrones utilizados en este proceso provienen de la fotosíntesis. Logramos fusionar la hidrogenasa con el llamado fotosistema I de tal manera que los electrones se utilizan principalmente para la producción de hidrógeno, mientras que el metabolismo normal continúa en menor medida”, continúa Gutekunst. De esta manera, la cianobacteria modificada produce significativamente más hidrógeno solar que en experimentos anteriores.

La capacidad de repararse a sí misma

Ya existían enfoques similares para la producción de hidrógeno mediante la fusión de la hidrogenasa y el fotosistema in vitro, es decir, fuera de las células vivas en tubos de ensayo, o en las superficies de los electrodos en las células fotovoltaicas. Sin embargo, el problema de estos enfoques artificiales es que suelen ser de corta duración. La fusión de la hidrogenasa y el fotosistema debe ser laboriosamente recreada, una y otra vez. Por el contrario, el camino seguido por el equipo de investigación de Kiel tiene la gran ventaja de funcionar potencialmente de forma indefinida. “El metabolismo de las cianobacterias vivas repara y multiplica la fusión de la hidrogenasa y el fotosistema y la transmite a nuevas células durante la división celular, de modo que, en principio, el proceso puede continuar de forma permanente”, enfatiza el líder del proyecto Gutekunst. “Con nuestro enfoque in vivo, logramos producir hidrógeno solar con una fusión de hidrogenasa y fotosistema en una célula viva por primera vez”, continúa.

Uno de los retos actuales es el hecho de que la hidrogenasa se desactiva en presencia de oxígeno. La fotosíntesis ‘normal’ que continúa en las células vivas, durante la cual el oxígeno es liberado por la división del agua, inhibe así la producción de hidrógeno. Con el fin de eliminar el oxígeno, o más específicamente, para minimizar la cantidad liberada, las cianobacterias para la producción de hidrógeno están actualmente en parte cambiadas a la llamada fotosíntesis anoxigénica. Esto no se basa en la división del agua. Por lo tanto, los electrones para la producción de hidrógeno actualmente derivan en parte de la división del agua y en parte de otras fuentes. Pero el objetivo a largo plazo de los equipos de investigación de Kiel es utilizar sólo los electrones de la división del agua para la producción de hidrógeno.

Conceptos para la energía del futuro

En general, el nuevo enfoque in vivo ofrece una nueva y prometedora perspectiva para establecer la separación fotosintética del agua como medio de producción de hidrógeno verde y neutro para el clima, y así avanzar en la generación de energía sostenible. A mediano plazo, las nuevas investigaciones sobre las vías metabólicas de las cianobacterias en el grupo de Gutekunst se centran especialmente en aumentar aún más la eficiencia de la producción de hidrógeno solar. “Los resultados de la investigación de nuestro colega son un excelente ejemplo de cómo la investigación fundamental sobre plantas y microorganismos puede contribuir a resolver los desafíos sociales”, subraya la portavoz del KPC, la profesora Eva Stukenbrock. “Así pues, estamos haciendo una importante contribución en Kiel para desarrollar una economía sostenible del hidrógeno como una alternativa viable para un suministro seguro de energía del futuro”, continúa Stukenbrock.