Capturar CO2 con electricidad: una enzima microbiana inspira la electroquímica
Hacia una nueva solución para la utilización del CO2 atmosférico
El ser humano emite continuamente gases de efecto invernadero, lo que agrava el calentamiento global. Por ejemplo, el dióxido de carbono (CO2) se acumula drásticamente a lo largo de los años y es químicamente muy estable. Sin embargo, algunos microbios capturan el CO2 mediante enzimas muy eficaces. Científicos del Instituto Max Planck de Microbiología Marina de Bremen, junto con las Universidades de Ginebra y Radboud, aislaron una de estas enzimas. Cuando la enzima se ramificó electrónicamente en un electrodo, observaron la conversión de CO2 en formiato con una eficacia perfecta. Este fenómeno inspirará nuevos sistemas de fijación de CO2 por su notable direccionalidad y velocidad. Los resultados se publican ahora en "Angewandte Chemie".
El proceso de conversión de gases mediante una reacción enzimática basada en electrodos
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En busca de microorganismos que capturen eficazmente el gas de efecto invernadero CO2
"Las enzimas empleadas por los microorganismos representan un fantástico campo de juego para los científicos, ya que permiten reacciones muy específicas a gran velocidad", afirma Tristan Wagner, director del Grupo de Investigación Max Planck de Metabolismo Microbiano del Instituto Max Planck de Microbiología Marina (MPIMM). Algunas de estas enzimas tienen una forma interesante de capturar CO2: Lo transforman en formiato, un compuesto estable y seguro que puede utilizarse para almacenar energía o sintetizar diversas moléculas con fines industriales o farmacéuticos. Un ejemplo es Methermicoccus shengliensis, un metanógeno (microbio productor de metano) aislado de un yacimiento petrolífero y que crece a 50 °C. Julia Kurth y Cornelia Welte lo han cultivado y estudiado durante los últimos años en la Universidad de Radboud (Países Bajos). En el Instituto Max Planck de Microbiología Marina, Olivier Lemaire, Mélissa Belhamri y Tristan Wagner diseccionaron el microbio para encontrar su enzima captadora de CO2 y medir la rapidez y eficacia con que puede transformar el CO2.
Una enzima convertidora de CO2 con gran potencial
Los científicos del Max Planck emprendieron la difícil tarea de aislar la enzima microbiana. "Como sabíamos que este tipo de enzimas son sensibles al oxígeno, tuvimos que trabajar en una tienda anaeróbica sin aire ambiente para separarla del resto de proteínas, algo complicado, pero lo conseguimos", explica Olivier Lemaire. Una vez aislada, los científicos caracterizaron las propiedades de la enzima. Demostraron que genera formiato a partir de CO2 de forma eficaz, pero realiza la reacción inversa a un ritmo muy lento y con escaso rendimiento. "Se sabe que enzimas similares pertenecientes a la familia de las formiato deshidrogenasas funcionan en ambas direcciones, pero nosotros demostramos que la enzima de Methermicoccus shengliensis es casi unidireccional y no podía convertir eficazmente el formiato de nuevo en CO2", informa Mélissa Belhamri. "Nos sorprendió mucho este fenómeno, que sólo se produce en ausencia de oxígeno", añade. "Dado que el formiato generado por la fijación del CO2 no puede transformarse de nuevo y, por tanto, se acumula, este sistema sería un candidato muy interesante para la captura de CO2, especialmente si pudiéramos ramificarlo en un electrodo", señala Tristan Wagner. La ventaja Con la enzima unida natural o químicamente a un electrodo, la "energía" necesaria para capturar el CO2 será suministrada directamente por el electrodo, sin pérdidas de corriente eléctrica ni necesidad de utilizar compuestos químicos caros o tóxicos como relés. En consecuencia, los electrodos unidos a enzimas son sistemas eficaces y atractivos para los procedimientos de conversión de gases. Así pues, la enzima purificada se envió a la Universidad de Ginebra para montar un sistema de captura de CO2 basado en electrodos.
Conversión de gas basada en la electricidad
Selmihan Sahin y Ross Milton, de la Universidad de Ginebra, son especialistas en electroquímica. Utilizan electrodos conectados a la corriente eléctrica para realizar reacciones químicas. La generación de formiato a partir de CO2 mediante electrodos suele requerir metales contaminantes y raros, y por eso intentaron sustituir estos metales por la enzima extraída en el grupo de Tristan Wagner en el MPIMM. El procedimiento de unión de la enzima a un electrodo no siempre es tan eficaz como se espera, pero la enzima del grupo de investigación de Wagner tiene características específicas que podrían facilitar el proceso. Los científicos suizos consiguieron fijar la enzima en un electrodo de grafito, donde realizó la conversión del gas. Las tasas medidas fueron comparables a las obtenidas con las formiato deshidrogenasas clásicas. "La fuerza de este sistema biológico acoplado al electrodo reside en su eficacia para transferir los electrones de la electricidad hacia la transformación del CO2", destaca Lemaire. Sahin y Milton también confirmaron que el sistema realiza mal la reacción inversa, como se había observado anteriormente en el tubo de reacción. En consecuencia, el electrodo modificado convirtió continuamente el gas de efecto invernadero en formiato sin que se generaran productos secundarios detectables ni se perdiera corriente eléctrica.
Hacia una nueva solución para el aprovechamiento del CO2 atmosférico
El trabajo en colaboración proporciona una nueva herramienta molecular a la comunidad científica: Una enzima que convierte el CO2 transfiriendo electricidad con gran eficacia. La energía verde renovable (por ejemplo, eólica o solar) podría suministrar electricidad al sistema basado en electrodos que convertiría el CO2 en formiato, una molécula directamente utilizable para aplicaciones o para almacenar energía. "Antes de nosotros, nadie había intentado estudiar una enzima de un metanógeno de este tipo para una conversión de gases basada en electrodos", afirma Tristan Wagner. "Sin embargo, los metanógenos son excelentes convertidores naturales de gas". Por muy potentes que pudieran ser, emplear enzimas para procesos a gran escala requeriría también sistemas de producción de enzimas a escala similar, una inversión considerable. Por tanto, aunque la estrategia descubierta podría, en teoría, mejorar significativamente la transformación del CO2, antes de su aplicación es necesario un conocimiento profundo del mecanismo enzimático, y el equipo de investigadores tendrá ahora que diseccionar en profundidad los secretos moleculares de la reacción.
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