Convertir la luz solar en formas alternativas de energía podría resolver el problema del consumo de combustibles no renovables. ¿Es posible aumentar los rendimientos, la biomasa y deshacerse de la crisis alimentaria de esta manera?
¿Cómo se produce la reacción de la fotosíntesis?
La esencia de la fotosíntesis es que la energía de la luz visible se convierte en energía de enlaces químicos de sustancias orgánicas.
Es decir, con la ayuda de la energía de la luz, el cuerpo extrae electrones de la molécula y los transfiere a moléculas de dióxido de carbono, reduciéndolos y convirtiéndolos en moléculas de materia orgánica, que luego pueden volver a oxidarse, ganando energía.
Todo el sistema de reacciones de fotosíntesis de las plantas en un esquema: 6СО2 + 6H2O = glucosa (С6H12О6) + 6О2.
Uno de los pasos clave en este proceso complejo y de múltiples pasos es el secuestro de dióxido de carbono. Cuando esto sucede, el dióxido de carbono se une a un compuesto llamado ribulosa (1,5) bisfosfato, un azúcar con dos grupos fosfato.
Y la enzima dirige esta reacción: ribulosa bisfosfato carboxilasa o rubisco (RuBisCO).
RuBisCO es una enzima que es un complejo absoluto de 16 cadenas de proteínas a la vez. La mayoría de las enzimas catalizan miles de transformaciones químicas cada segundo.
Sin embargo, Rubisco solo procesa de 3 a 10 moléculas de dióxido de carbono, dependiendo de las condiciones. Una calidad tan baja de la enzima solo puede compensarse por su cantidad: en peso, representa hasta el 30% de todas las proteínas vegetales solubles en agua, lo que la convierte en la proteína más abundante del planeta.
Tipos de fotosíntesis
Los organismos vivos tienen dos tipos de pigmentos que pueden actuar como receptores fotosintéticos (antenas).
En la inmensa mayoría de los organismos, las clorofilas desempeñan el papel de antenas; menos común es el caso en el que el derivado de vitamina A de la retina sirve como antena. De acuerdo con esto, se distingue la fotosíntesis sin clorofila y sin clorofila.
• Fotosíntesis sin clorofila
El sistema de fotosíntesis sin clorofila se distingue por una importante simplicidad de organización, en relación con la cual se supone evolutivamente que es el mecanismo principal para almacenar la energía de la radiación electromagnética. La eficiencia de la fotosíntesis sin clorofila como mecanismo de conversión de energía es relativamente baja (solo se transfiere un H + por cuanto absorbido).
• Fotosíntesis de clorofila
La fotosíntesis de clorofila se diferencia de la bacteriorrodopsina en una eficiencia de almacenamiento de energía significativamente mayor. Por cada cuanto de radiación absorbido efectivamente contra el gradiente, se transfiere al menos un H +.
Anoxigénico
La fotosíntesis anoxigenica (o anóxica) ocurre sin desprendimiento de oxígeno. Las bacterias púrpuras y verdes, así como las heliobacterias, son capaces de realizar la fotosíntesis anoxigénica.
Oxigenico
La fotosíntesis oxigenada u oxigenada va acompañada de la liberación de oxígeno como subproducto. En la fotosíntesis oxigénica, se produce el transporte electrónico no cíclico, aunque en determinadas condiciones fisiológicas, solo se produce el transporte electrónico cíclico. Un donante de electrones extremadamente débil, el agua, se utiliza como donante de electrones en un flujo no cíclico.
Hambre en la agricultura
La población de la Tierra, a pesar de la segunda transición demográfica, crece constantemente. Si pudiéramos, a voluntad, aumentar la fecundidad en proporción al crecimiento de la población, no habría gran problema.
Sin embargo, hoy el hombre ha dominado alrededor de un tercio de la tierra apta para la agricultura. Casi todos los territorios adecuados en el sur de Asia, en el Medio Oriente y América del Norte ya han sido arados, y el desarrollo de las áreas restantes nos amenaza con erosión.
Es posible que el lugar del planeta simplemente se agote, por lo que debemos encontrar nuevas formas de aumentar la producción de alimentos. Esto ya se ha hecho antes.
La última vez que esto sucedió fue debido a la “revolución verde” de los años cincuenta y setenta. Luego, el desarrollo de nuevas variedades de cereales de alto rendimiento, la introducción de pesticidas y sistemas de riego avanzados hicieron posible aumentar drásticamente, casi el doble, el rendimiento.
Cómo acelerar la fotosíntesis
La piedra angular de este problema es el rubisco, la enzima de la que ya hemos hablado.
Sin embargo, resultó no ser tan fácil. La mutagénesis dirigida de residuos de aminoácidos individuales no condujo a resultados notables.
También se le aplicó el método de evolución directa de enzimas: en él, se crea una gran colección de variantes genéticas de Rubisco mediante el método de introducción de mutaciones aleatorias. Toda esta variedad se aplicó sobre E. coli - Escherichia coli. Con este enfoque, los investigadores pudieron aumentar la actividad de las cianobacterias Rubisco, que funcionan bien en las células de E. coli.
Pero el mismo método no funcionó con las plantas. Además, la enzima se ensambla a partir de partes de dos “fabricantes” diferentes: los genes que codifican las cadenas de Rubisco se encuentran no solo en el núcleo celular, sino también en el genoma del cloroplasto, lo que complica su manipulación. Los investigadores tienen que trabajar con dos genomas a la vez, utilizando diferentes técnicas de modificación genética.
Pero los científicos no se dieron por vencidos. Se les ocurrió una nueva idea: aumentar la cantidad de rubisco, ya que las hojas de las plantas están literalmente llenas de él. Para ello, los autores utilizaron métodos transgénicos. Sin embargo, la sobreexpresión de los genes de Rubisco no fue suficiente; se necesitaba algo más para ensamblar la enzima.
En los últimos años, ha quedado claro que varias proteínas de plegamiento están involucradas en el ensamblaje de Rubisco - RAF1 y RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Estas proteínas (llamadas chaperonas) tienden a estabilizar la cadena de proteínas ensamblada durante el ensamblaje, lo que le da tiempo para plegarse correctamente.
Este era el problema de estudios previos: los genes de Rubisco sintetizaban realmente activamente los “bloques de construcción” de proteínas de la enzima, pero la falta de chaperonas no permitía recolectar una cantidad suficiente de Rubisco de las cadenas polipeptídicas semiacabadas. También era necesario aumentar el número de acompañantes.
Por lo tanto, los autores tomaron en cuenta estas condiciones y, como resultado, el contenido total de rubisco en las hojas de maíz transgénico aumentó en un 30%.
Debido a esto, no toda la enzima adicional estuvo involucrada en el proceso de fotosíntesis. Sin embargo, a pesar de todo, la fijación final de dióxido de carbono siguió aumentando en un 15%. Esto ha acelerado significativamente el crecimiento del maíz transgénico.
Como resultado del estudio, los científicos chinos lograron en 2020 acelerar la fotosíntesis de las algas y un flor. Los científicos han acelerado la fotosíntesis del alga verde Chlorella pyrenoidosa y la planta superior Arabidopsis thaliana utilizando un polímero captador de luz. El polímero aumentó su actividad de los sistemas fotosintéticos debido a la unión electrostática e hidrofóbica a las paredes de las células fotosintéticas.
Según los autores, debido a su buena capacidad para absorber luz verde, solubilidad en agua y biocompatibilidad, dichos polímeros sintéticos son potencialmente adecuados para su uso en la producción de biocombustibles, así como en el desarrollo de la energía y la ecología.
Salida
Actualmente, las células fotovoltaicas que operan en un entorno acuoso son eficientes, pero claramente imperfectas. La fotosíntesis artificial sigue siendo bastante eficaz como herramienta para unir el carbono atmosférico y, al mismo tiempo, produce un flujo estable de partículas cargadas (protones y electrones).
Por lo tanto, las células fotosintéticas podrían combinarse con paneles solares, por ejemplo, ya instalados en los techos de casas particulares en los Estados Unidos.
La batería solar podría dar parte de la energía que recibe para la electrólisis. En este caso, las células fotovoltaicas conectadas a él participarían en la unión del dióxido de carbono y la división del agua para obtener hidrógeno, que es un combustible respetuoso con el medio ambiente.
El desarrollo de catalizadores para tales procesos permitiría no limitarse a la reproducción de la fotosíntesis ordinaria, sino sintetizar, por ejemplo, proteínas o enzimas. Ya hemos aprendido a escalar células solares, por lo que podríamos escalar células fotovoltaicas con ellas.
Tecnologías como estas podrían ayudar a descomponer los desechos tóxicos o el plástico, produciendo hidrógeno y energía.
