Para garantizar su subsistencia, las plantas dependen de un proceso de llamado fijación de carbono, en el que se convierte el dióxido de carbono del aire en biomoléculas ricas en carbono.
Este procedimiento es el fin perseguido por la fotosíntesis, el cual, de acuerdo con una investigación reciente, podría replicarse de manera artificial.
Fotosíntesis artificial y las oportunidades que genera
La posibilidad de emular el proceso de la fotosíntesis, abre el camino para activar una importante parte del vasto ciclo del carbono que en la naturaleza interconecta a plantas, animales, microbios y la atmósfera para mantener la vida en la Tierra.
La fijación de carbono, aspecto clave de este proceso, no es una capacidad exclusiva de las plantas. Sin ir muy lejos, las especialistas en esta materia son las bacterias del suelo, pues algunas enzimas bacterianas son capaces de realizar la fijación de carbono 20 veces más rápido que las enzimas de las plantas.
Averiguar cómo se desarrolla este proceso, podría dar pie al mundo científico para desarrollar formas de fotosíntesis artificial que permitan convertir el gas de efecto invernadero en combustibles, fertilizantes, antibióticos y otros productos.
Importantes avances relacionados con esta búsqueda fueron compartidos por un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía de la Universidad de Stanford, el Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Alemania, el Instituto Conjunto del Genoma (JGI) del DOE y la Universidad de Concepción en Chile. Conjuntamente, descubrieron cómo una enzima bacteriana, encargada de facilitar las reacciones químicas, se acelera para realizar esta hazaña.
En lugar de tomar moléculas de dióxido de carbono y unirlas a las biomoléculas una por una, los investigadores encontraron que esta enzima consta de pares de moléculas que funcionan en sincronía, tal como las manos de un malabarista que simultáneamente lanza y atrapa bolas, para hacer el trabajo más rápido. Bajo este proceso, un miembro de cada par de enzimas se abre de par en par para atrapar un conjunto de ingredientes de reacción, mientras que el otro se cierra sobre sus ingredientes capturados y lleva a cabo la reacción de fijación de carbono; para posteriormente, cambiar de rol en un ciclo continuo.
«Esta enzima bacteriana es el fijador de carbono más eficiente que conocemos, y se nos ocurrió una explicación clara de lo que puede hacer», comentó Soichi Wakatsuki, profesor de SLAC y Stanford y uno de los principales líderes del estudio.
«Algunas de las enzimas de esta familia actúan lentamente pero de una manera muy específica para producir un solo producto», agregó. «Otros son mucho más rápidos y pueden crear bloques de construcción químicos para todo tipo de productos. Ahora que conocemos el mecanismo, podemos diseñar enzimas que combinen las mejores características de ambos enfoques y hacer un trabajo muy rápido con todo tipo de materiales de partida».
La enzima que el equipo estudió es parte de una familia llamada enoil-CoA carboxilasas/reductasas, o ECRs. Proviene de bacterias del suelo llamadas Kitasatospora setae, que además de sus habilidades de fijación de carbono también pueden producir antibióticos.
Wakatsuki escuchó sobre esta familia de enzimas hace seis años, de Tobias Erb del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Alemania y Yasuo Yoshikuni de JGI. Erb había estado trabajando junto a su equipo de investigación en el desarrollo de biorreactores para la fotosíntesis artificial, persiguiendo el propósito de convertir el dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera en todo tipo de productos.
Si bien, la fotosíntesis es fundamental para la vida de los ecosistemas terrestres, según Erb el proceso artificial propuesto es más eficiente que la misma evolución ha definido para la Tierra. Y el punto con esto no se trata de sustituir de plano un proceso natural y sincronizado. Más bien, con la fotosíntesis artificial se pretende rescatar el principio de la misma, para aplicarla en procesos de ingeniería.
«No estamos tratando de hacer una copia al carbón de la fotosíntesis», explicó Erb. «Queremos diseñar un proceso que sea mucho más eficiente utilizando nuestra comprensión de la ingeniería para reconstruir los conceptos de la naturaleza. Esta ‘fotosíntesis 2.0’ podría tener lugar en sistemas vivos o sintéticos como los cloroplastos artificiales o gotas de agua suspendidas en aceite», señaló el científico.
El reporte detallado de este estudio fue publicado en ACS Central Science esta semana.