Células biosolares más eficientes modeladas en la naturaleza
Combinando proteínas de recolección de luz y de fotosíntesis de diferentes tipos, se puede producir más energía
Las fuentes potenciales de energía renovable incluyen los complejos de proteínas responsables de la fotosíntesis. Sin embargo, su eficiencia en aplicaciones técnicas todavía deja mucho que desear. Por ejemplo, no pueden convertir la luz verde en energía. Un equipo de investigación de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) y el Instituto de Tecnología de Israel en Haifa ha cerrado con éxito esta llamada "brecha verde" combinando un complejo proteínico de la fotosíntesis con una proteína de recolección de luz de las cianobacterias.
Volker Hartmann (derecha) y Marc Nowaczyk han cerrado la brecha verde.
© RUB, Marquard
Plantas, algas y bacterias imitadoras
Las células biosolares son un concepto innovador para convertir la luz solar en energía eléctrica. Se fabrican utilizando componentes biológicos de la naturaleza. En su núcleo se encuentran los llamados fotosistemas: grandes complejos de proteínas que son responsables de la conversión de energía en plantas, algas y cianobacterias. El Fotosistema II, PSII para abreviar, juega un papel central en el proceso, porque puede utilizar el agua como fuente de electrones para la generación de electricidad.
La cooperación hasta ahora infructuosa en el tubo de ensayo
"Sin embargo, tan único como es el PSII, su eficiencia es limitada, porque puede utilizar sólo un porcentaje de la luz solar", explica el Profesor Marc Nowaczyk, Jefe del grupo del proyecto de Mecanismos Moleculares de Fotosíntesis en el RUB. Cuando se trata de la llamada brecha verde en particular, el PSII está casi inactivo. "Las cianobacterias han resuelto el problema formando proteínas especiales recolectoras de luz, es decir, los ficobilisomas, que también hacen uso de esta luz. Esta cooperación funciona en la naturaleza, pero aún no en el tubo de ensayo".
Los súper complejos utilizan el doble de fotones de la brecha verde
En colaboración con el grupo de investigación del Profesor Wolfgang Schuhmann en RUB y el grupo de investigación israelí del Profesor Noam Adir, el equipo de Nowaczyk ha logrado producir un bioelectrodo de dos componentes. La principal dificultad fue la interacción funcional de los complejos multiproteicos, algunos de los cuales se combinaron entre especies.
Los investigadores estabilizaron estos supercomplejos utilizando reticuladores químicos de cadena corta que fijan permanentemente las proteínas a una distancia muy corta entre sí. En el siguiente paso, los insertaron en estructuras de electrodos apropiados. "Dominamos este desafío utilizando electrodos personalizados, tridimensionales y transparentes en combinación con hidrogeles redox-activos", dice el Dr. Volker Hartmann, autor principal del estudio. Este diseño permitió a los investigadores utilizar el doble de fotones dentro de la brecha verde, en comparación con un sistema sin complejos de recolección de luz.
Prometedora etapa intermedia
El ensamblaje de los complejos de proteínas en el tubo de ensayo se considera una etapa intermedia prometedora en el desarrollo de células solares biológicas. Así pues, las ventajas de las diferentes especies pueden combinarse funcionalmente en sistemas semiautomáticos. En el futuro, los investigadores se centrarán principalmente en la optimización de la producción y la vida útil de los componentes biológicos.
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Publicación original
Volker Hartmann, Dvir Harris, Tim Bobrowski, Adrian Ruff, Anna Frank, Thomas Günther-Pomorski, Matthias Roegner, Wolfgang Schuhmann, Noam Adir, Marc M. Nowaczyk; "Improved quantum efficiency in an engineered light harvesting/photosystem II super-complex for high current density biophotoanodes"; Journal of Materials Chemistry A, 2020
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