Si los humanos alguna vez esperan colonizar Marte, los colonos necesitarán fabricar en el planeta una gran variedad de compuestos orgánicos, desde combustibles hasta drogas, que son demasiado caros para enviar desde la Tierra.
Los químicos de la Universidad de California, Berkeley y Lawrence Berkeley National Laboratory Berkeley Lab tienen un plan para eso.
Durante los últimos ocho años, los investigadores han estado trabajando en un sistema híbrido que combina bacterias y nanocables que pueden capturar la energía de la luz solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en bloques de construcción para moléculas orgánicas. Los nanocables son alambres de silicio delgados aproximadamente una centésima parteEl ancho de un cabello humano, utilizado como componentes electrónicos, y también como sensores y células solares.
"En Marte, aproximadamente el 96% de la atmósfera es CO 2 . Básicamente, todo lo que necesita es estos nanocables de semiconductores de silicio para absorber la energía solar y transmitirla a estos insectos para que hagan la química por usted ", dijo el líder del proyecto, Peidong Yang, profesor de química y SK y Angela Chan DistinguidoCátedra de Energía en UC Berkeley. "Para una misión en el espacio profundo, le importa el peso de la carga útil, y los sistemas biológicos tienen la ventaja de que se auto-reproducen: no necesita enviar mucho. Es por eso que nuestra versión biohíbrida es altamenteatractivo."
El único otro requisito, además de la luz solar, es el agua, que en Marte es relativamente abundante en los casquetes polares y probablemente yace congelada bajo tierra en la mayor parte del planeta, dijo Yang, quien es un científico de la facultad en Berkeley Lab y director deInstituto Kavli de Nanociencia Energética.
El biohíbrido también puede extraer dióxido de carbono del aire en la Tierra para producir compuestos orgánicos y al mismo tiempo abordar el cambio climático, que es causado por un exceso de CO producido por el hombre 2 en la atmósfera
En un nuevo artículo que se publicará el 31 de marzo en la revista julio , los investigadores informan un hito en el embalaje de estas bacterias Sporomusa ovata en un "bosque de nanocables" para lograr una eficiencia récord: el 3.6% de la energía solar entrante se convierte y almacena en enlaces de carbono, en forma de una molécula de dos carbonos llamada acetato: esencialmente ácido acético o vinagre.
Las moléculas de acetato pueden servir como bloques de construcción para una variedad de moléculas orgánicas, desde combustibles y plásticos hasta medicamentos. Muchos otros productos orgánicos podrían estar hechos de acetato dentro de organismos genéticamente modificados, como bacterias o levaduras.
El sistema funciona como la fotosíntesis, que las plantas emplean naturalmente para convertir el dióxido de carbono y el agua en compuestos de carbono, principalmente azúcar y carbohidratos. Sin embargo, las plantas tienen una eficiencia bastante baja, que generalmente convierte menos del medio por ciento de la energía solar en carbonocompuestos. El sistema de Yang es comparable a la planta que mejor convierte CO 2 al azúcar: caña de azúcar, que es 4-5% eficiente
Yang también está trabajando en sistemas para producir eficientemente azúcares y carbohidratos a partir de la luz solar y el CO 2 , potencialmente proporcionando comida para los colonos de Marte.
Mira el pH
Cuando Yang y sus colegas demostraron por primera vez su reactor híbrido de nanocables y bacterias hace cinco años, la eficiencia de conversión solar era solo de aproximadamente 0.4%, comparable a las plantas, pero aún baja en comparación con las eficiencias típicas de 20% o más para paneles solares de silicioque convierten la luz en electricidad. Yang fue uno de los primeros en convertir los nanocables en paneles solares, hace unos 15 años.
Los investigadores inicialmente intentaron aumentar la eficiencia al empacar más bacterias en los nanocables, que transfieren electrones directamente a las bacterias para la reacción química. Pero las bacterias se separaron de los nanocables, rompiendo el circuito.
Los investigadores finalmente descubrieron que los insectos, al producir acetato, disminuyeron la acidez del agua circundante, es decir, aumentaron una medición llamada pH, y los hicieron separarse de los nanocables. Él y sus estudiantes finalmente encontraron una manerapara mantener el agua un poco más ácida para contrarrestar el efecto del aumento del pH como resultado de la producción continua de acetato. Esto les permitió acumular muchas más bacterias en el bosque de nanocables, aumentando la eficiencia casi en un factor de 10. Fueron capaces de operarel reactor, un bosque de nanocables paralelos, durante una semana sin que la bacteria se despegue.
En este experimento en particular, los nanocables se usaron solo como cables conductores, no como absorbentes solares. Un panel solar externo proporcionó la energía.
Sin embargo, en un sistema del mundo real, los nanocables absorberían la luz, generarían electrones y los transportarían a las bacterias engrosadas en los nanocables. Las bacterias absorben los electrones y, de forma similar a la forma en que las plantas producen azúcares, convierten dos dióxido de carbonomoléculas y agua en acetato y oxígeno.
"Estos nanocables de silicio son esencialmente como una antena: capturan el fotón solar como un panel solar", dijo Yang. "Dentro de estos nanocables de silicio, generarán electrones y los alimentarán a estas bacterias. Luego las bacterias absorben CO 2 , haz la química y escupe acetato "
El oxígeno es un beneficio secundario y, en Marte, podría reponer la atmósfera artificial de los colonos, lo que imitaría el ambiente de 21% de oxígeno de la Tierra.
Yang ha modificado el sistema de otras maneras, por ejemplo, para incrustar puntos cuánticos en la membrana de la bacteria que actúan como paneles solares, absorben la luz solar y evitan la necesidad de nanocables de silicio. Estas bacterias cyborg también producen ácido acético.
Su laboratorio continúa buscando formas de aumentar la eficiencia del biohíbrido, y también está explorando técnicas para diseñar genéticamente las bacterias para que sean más versátiles y capaces de producir una variedad de compuestos orgánicos.
La investigación está respaldada por una subvención de la NASA al Centro para la Utilización de la Ingeniería Biológica en el Espacio CUBES, un esfuerzo de múltiples universidades para desarrollar técnicas para la biofabricación en el espacio.
Los coautores del artículo en UC Berkeley son estudiantes de posgrado actuales o anteriores Yude Su, Stefano Cestellos-Blanco y Ji Min Kim, quienes contribuyeron por igual al trabajo; y estudiantes de posgrado Yue-xiao Shen, Qiao Kong, Dylan Lu, ChongLiu, Hao Zhang y Yuhong Cao.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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