La electricidad al servicio de la vida
Utilizando una vía metabólica, se pueden producir recursos ricos en energía mediante el poder de la electricidad
Cuando la naturaleza lleva a cabo reacciones químicas para crear compuestos ricos en energía a partir de moléculas simples, necesita energía. Hasta ahora, no ha sido posible utilizar electricidad de origen humano para impulsar estos procesos bioquímicos. Sin embargo, los investigadores del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre de Marburgo han logrado un gran avance: han desarrollado una vía metabólica artificial que utiliza la electricidad para producir ATP, un portador bioquímico de energía que puede utilizarse para formar compuestos químicos ricos en energía como el almidón o las proteínas. Esta vía metabólica ofrece un enfoque completamente novedoso hacia una bioeconomía sostenible y climáticamente neutra.
Cámara de reacción en la que tiene lugar la ruta metabólica artificial.
© MPI für terrestrische Mikrobiologie/ Virginia Geisel
El equipo de Tobias Erb, del Instituto Max Planck de Marburgo, está estudiando cómo utilizar la biología sintética para crear recursos complejos a partir de moléculas sencillas. Utilizando un proceso de fotosíntesis artificial desarrollado en el Instituto, ya han conseguido convertir con éxito el dióxido de carbono en diversos recursos valiosos como antibióticos o biocombustibles. Así, su solución imita y mejora la forma en que la fotosíntesis de las plantas convierte el dióxido de carbono.
Pero, al igual que el proceso natural que intenta mejorar, la fotosíntesis sintética requiere energía. La moneda de cambio de la energía química en la naturaleza es el trifosfato de adenosina (ATP). Su energía se encuentra en los enlaces químicos: al romper estos enlaces se libera energía que puede alimentar los procesos bioquímicos.
ATP mediante corriente eléctrica
Las alternativas sostenibles a los combustibles fósiles son la energía solar o eólica. Pero nunca ha habido forma de alimentar con electricidad de origen humano directamente las reacciones bioquímicas. Tobias Erb y su equipo han desarrollado una cascada enzimática capaz de producir ATP mediante corriente eléctrica. La cascada enzimática denominada "ciclo AAA" consta de cuatro biocatalizadores. La primera y principal enzima, la aldehído ferredoxina oxidorreductasa (AOR), reduce un ácido a un aldehído. "La energía eléctrica se almacena en el enlace aldehído. Las tres enzimas restantes son responsables de la regeneración del aldehído. Este proceso libera energía que se utiliza para generar ATP", explica Shanshan Luo, autor principal del estudio. El ATP del ciclo AAA puede utilizarse para impulsar reacciones químicas, como la producción de glucosa-6-fosfato, el componente básico del almidón. También puede utilizarse para la síntesis de proteínas.
Los investigadores descubrieron el AOR en una bacteria aún poco conocida científicamente llamada Aromaticum aromatoleum. Los investigadores del Centro de Microbiología Sintética de la Universidad de Marburgo lograron cultivar el microbio en condiciones de laboratorio sin oxígeno para estudiar su capacidad de degradar el petróleo en la naturaleza. Ahora, este descubrimiento fortuito constituye el núcleo del ciclo AAA. "Nunca había sido posible alimentar con electricidad reacciones bioquímicas dependientes del ATP. Ahora, el ciclo AAA es capaz de convertir directamente la energía eléctrica en energía bioquímica", afirma Tobias Erb, Director del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre. "Esto permitirá sintetizar recursos valiosos y ricos en energía, como almidón, biocombustibles o proteínas, a partir de simples componentes celulares, y en el futuro incluso a partir de dióxido de carbono. Incluso será posible utilizar moléculas biológicas para almacenar energía eléctrica".
Interfaz entre electricidad y biología
Sin embargo, aún queda mucho por investigar antes de que la nueva prueba de concepto pueda utilizarse en aplicaciones prácticas. Las enzimas aún carecen de estabilidad y se descomponen cuando se exponen al oxígeno. Actualmente, sólo se convierten pequeñas cantidades de energía. Así que antes de que esta innovación pueda utilizarse a escala industrial, los investigadores tienen mucho trabajo por hacer. "En el futuro, tal vez sea posible que el ciclo AAA funcione en la interfaz entre la electricidad, por un lado, y la biología, por otro. Sin embargo, alimentar directamente con electricidad las reacciones químicas y bioquímicas es un verdadero avance", afirma Erb.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Luo, S.; Adam, D.; GIaveri, S.; Barthel, S.; Cestellos-Blanco, S.; Hege, D.; Paczia, N.; Castaneda-Losada, L.; Klose, M.; Arndt, F.; Heider, J.; Erb, T. J.; "ATP production from electricity with a new-to-nature electrobiological module"; Joule 2023.
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