Combustibles solares generados por la naturaleza

Gracias a los nuevos conocimientos sobre los detalles de la división del agua en la fotosíntesis, mejoran las perspectivas de desarrollo de combustibles limpios basados en el agua y la luz solar

Los problemas de abastecimiento energético de la sociedad podrían resolverse en el futuro utilizando un modelo adoptado de la naturaleza. Durante la fotosíntesis, las plantas, las algas y algunas especies de bacterias producen azúcares y otras sustancias ricas en energía (es decir, combustibles) utilizando la energía solar. Un equipo dirigido por investigadores del Instituto Max Planck para la Conversión de la Energía Química de Mülheim an der Ruhr está desarrollando actualmente métodos experimentales para determinar cómo se produce este proceso en la naturaleza. Los científicos están investigando un cofactor especialmente importante que participa en la fotosíntesis, un complejo de manganeso y calcio, que utiliza la energía solar para dividir el agua en oxígeno molecular. Han determinado la estructura exacta de este complejo en una etapa crucial de esta reacción química. Esto ha llevado a una sugerencia detallada sobre cómo se forma el oxígeno molecular, O2, en este complejo metálico. Gracias a estos nuevos conocimientos sobre la fotosíntesis, los científicos han proporcionado un modelo para sistemas sintéticos que podrían almacenar la energía de la luz solar en portadores de energía química.

Desde hace más de tres mil millones de años, la naturaleza utiliza la luz solar como fuente de energía primaria en la fotosíntesis. En el curso de este proceso, las plantas, las algas y las cianobacterias (algas verde-azules) utilizan la luz solar para dividir el agua y producir compuestos químicos ricos en energía a partir del dióxido de carbono (CO2). El producto final son los hidratos de carbono que, en la naturaleza, actúan como combustibles solares en la célula viva. Aunque las reacciones básicas de la fotosíntesis se conocen desde hace mucho tiempo, los investigadores del Instituto Max Planck para la Conversión de la Energía Química, en Mülheim an der Ruhr, y del Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA), en Saclay (Francia), han logrado ahora explicar detalles importantes del proceso de división del agua inducido por la luz. Como resultado, han perfeccionado la base científica para la generación de combustibles solares respetuosos con el medio ambiente y de bajo coste a través de la fotosíntesis artificial utilizando la luz del sol y el agua, un desarrollo que podría permitir a la sociedad poner fin a su dependencia de los combustibles fósiles como el petróleo, el carbón y el gas natural.

Un catalizador de división del agua

La división catalítica del agua inducida por la luz tiene lugar en un complejo metálico que está incrustado en una gran proteína de membrana (fotosistema II). Este complejo está compuesto por cuatro átomos de manganeso (Mn) y un átomo de calcio (Ca), que se mantienen unidos mediante una red de puentes de oxígeno (ver imagen). Este complejo de oxidación del agua o de evolución del oxígeno se somete a un complicado ciclo que libera electrones y protones y, por tanto, en última instancia, hidrógeno y oxígeno molecular.

En un artículo publicado esta semana en la revista Science, el equipo de investigación germano-francés presenta la estructura de este complejo manganeso-calcio directamente antes de la producción de oxígeno. Esta visión de una etapa clave de la fotosíntesis de las plantas es muy significativa: proporciona una comprensión más detallada del mecanismo implicado en la fotosíntesis y permitirá el desarrollo de sistemas sintéticos para el desdoblamiento de agua inducido por la luz basados en este modelo.

El estudio es el resultado de una estrecha colaboración entre los departamentos de Química Biofísica y Teoría Molecular del Instituto Max Planck para la Conversión de la Energía Química bajo la dirección de Wolfgang Lubitz y Frank Neese. Dentro de estos departamentos, Nicholas Cox y Dimitrios Pantazis reunieron un equipo interdisciplinario que pretende comprender mejor los detalles moleculares de la división del agua en la naturaleza.

Tres retos que plantea la investigación sobre el fotosistema II

El primer reto al que se enfrentaron los investigadores consistió en la extracción y purificación del fotosistema II con un complejo de desdoblamiento de agua totalmente intacto a partir del organismo original, una cianobacteria termófila, que se encuentra en aguas termales y volcanes de Japón y es muy robusta. Para cumplir con los estrictos requisitos de calidad del preparado, los investigadores de Saclay tuvieron que llevar a cabo varios años de trabajo de desarrollo en colaboración con investigadores de Japón.

El segundo reto al que se enfrentó el equipo de investigación fue la caracterización del complejo de manganeso del fotosistema II durante las diferentes etapas de la división del agua. Los investigadores del Departamento de Química Biofísica del Instituto Max Planck de Mülheim superaron este obstáculo con la ayuda de la resonancia paramagnética de electrones (EPR). Esta técnica permite visualizar la distribución de los electrones en una molécula o complejo metálico y, por lo tanto, proporciona una visión profunda de las etapas individuales de la división del agua. «Estas mediciones generaron nueva información y permitieron resolver problemas relativos al análisis detallado de las estructuras moleculares en el ciclo de reacción que no son accesibles mediante otros métodos», afirma el Dr. Alain Boussac, del CEA Saclay.

Por último, el tercer reto consistió en utilizar la información obtenida para producir un modelo estructural completo del biocatalizador. Los cálculos necesarios para este proceso se facilitaron utilizando nuevos métodos teóricos y los superordenadores del Departamento de Teoría Molecular del Instituto Max Planck. De este modo, los investigadores consiguieron demostrar que, durante la última fase del ciclo de reacción, una segunda molécula de agua se une a un átomo de oxígeno activo del complejo y libera un protón. Esto conduce a la formación del enlace O-O en el siguiente paso.

Combustible a partir de la luz solar – copiando la naturaleza

Gracias a este desciframiento de la estructura y la función del catalizador de división del agua en el fotosistema II a nivel atómico, una explicación del mecanismo de división del agua está ahora al alcance. Este conocimiento permite identificar criterios importantes para el diseño de catalizadores sintéticos similares que desdoblen el agua utilizando elementos respetuosos con el medio ambiente, de bajo coste y fácilmente disponibles. En la actualidad, el platino y otros metales raros o complejos metálicos caros se utilizan ampliamente para este fin. Esto hace que la producción a gran escala de portadores de energía renovable (combustibles) como el hidrógeno sea muy cara, o incluso imposible.

Con la ayuda de catalizadores bioinspirados, el hidrógeno u otro combustible solar podría producirse de forma barata mediante la combinación de dispositivos de energía solar con catalizadores de división de agua para la generación de combustibles solares en lugar de electricidad. Esto permitiría al sector energético superar los principales problemas asociados a la energía solar: la luz del sol no está disponible las veinticuatro horas del día como fuente de energía, y la electricidad no es muy adecuada para hacer funcionar los vehículos de motor. En cambio, el concepto de combustible solar permite el almacenamiento directo de la energía solar en compuestos químicos y, por tanto, el uso de esta energía en cualquier momento y lugar.

«Los combustibles solares sintéticos abren amplias posibilidades para las tecnologías de energías renovables, en particular para los sectores del transporte y las infraestructuras, que todavía dependen de los combustibles fósiles», afirma el profesor Wolfgang Lubitz, director del Instituto Max Planck para la Conversión de la Energía Química. «Un catalizador eficiente de división del agua impulsado por la luz y basado en metales comunes como el manganeso representaría un enorme progreso en este sentido. Los conocimientos adquiridos sobre la enzima de división del agua en la naturaleza a través de esta investigación han sentado las bases para este tipo de desarrollos.»

ES/PH