NeoFronteras

Fotosíntesis artificial basada en ADN

Área: Tecnología — Lunes, 24 de Junio de 2013

Consiguen que se autoensamble un sistema que combina hebras de ADN con moléculas de tinte para así formar una antena molecular para la fotosíntesis artificial.

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Esquema del sistema molecular conseguido. Fuente: Universidad Tecnológica de Chalmers.

Debido al problema del cambio climático y crisis energética permanente se ha vuelto la vista hacia las fuentes alternativas de energía, como la solar. Al fin y al cabo la Tierra recibe en una hora la energía que consume la humanidad en un año.
La aproximación habitual es la energía fotovoltaica o la termoeléctrica, pero también se está investigando en el campo de la fotosíntesis artificial.
Se puede intentar usar la plantas tal cual (biomasa y biodiesel, bioetanol…), pero no es rentable a gran escala, pues la fotosíntesis natural tiene un rendimiento de un 1% o un 2%. Por otro lado la fotosíntesis artificial trata de replicar el efecto fotosintético con un rendimiento mayor. Pero hay que superar muchos obstáculos hasta que se consiga algo comercial basado en esa idea.
Entre los problemas a solucionar está el encontrar una antena que capte de manera efectiva los fotones de luz. El primer paso de la fotosíntesis es precisamente esa captura y luego viene el transporte de esa energía y su conversión en energía química.
Un equipo de investigadores de Universidad Tecnológica de Chalmers ha encontrado una solución para la construcción de la antena: combinar hebras de ADN con moléculas de tinte. El sistema se asemeja al natural. El ADN actúa de andamiaje para crear un sistema que permita recolectar la luz.
En las plantas este andamiaje consiste en un elevado número de proteínas que organizan las moléculas de clorofila para que capten bien la luz del Sol, pero este sistema es básicamente muy complejo y casi imposible de replicar de manera artificial.
La clave del asunto está en que todo se pierde si las uniones se rompen. Usando ADN se puede conseguir un sistema autoconstruido que tenga la suficiente precisión y que además se repare a sí mismo.
Se podría intentar colocar cada componente uno a uno, pero es mejor que, como en este caso, el sistema se construya a sí mismo y se autoensamble, lo que se aproxima a lo que ocurre en el mundo natural.
La ventaja de este método es que si una molécula recolectora de este tipo se rompe, entonces es automáticamente reemplazada por otra un segundo más tarde. Según esto se trata de un sistema auto-reparable distinto al método habitual en el que un investigador dirige la síntesis.
En la fotosíntesis natural las plantas, algas y bacterias fotosintéticas mueven la energía obtenida de la luz del Sol hacia en centro de reacción en donde se sintetizan azúcares y otras moléculas orgánicas, pero todavía no se tiene un equivalente sintético a esos centros de reacción. Aunque según los investigadores implicados se ha creado la parte más complicada de todo el asunto, que es la antena.
Para este logro se han valido de nanotecnología de ADN. Las hebras de ADN que han usado tienen la habilidad de pegarse unas a otras de una manera predecible. Si se proporcionan las instrucciones de ensamblado correctas, el ADN puede formar la forma adecuada de manera automática en el tubo de ensayo. Es como un rompecabezas en el que las piezas encajan unas con otras de una manera específica y además se unen por ellas solas.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original

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12 Comentarios

  1. tomás:

    Siempre me he preguntado la razón de tan bajo rendimiento cuando, supongo que los más eficaces transformando energía y materia inorgánica en orgánica habrían de tener ventaja evolutiva.

  2. NeoFronteras:

    Hay varios tipos de fotosíntesis y tienen distinto rendimiento. La caña de azúcar o el maíz usan el de alto rendimiento. Pero al parecer viene con un coste como la sensibilidad a la baja temperatura.

  3. Pocosé:

    Pues parece que la evolución no tiende al sobresaliente, ni siquiera al aprobado. Le basta con no estar por debajo de la nota media del curso, sea esta cual sea.
    Puede que artificialmente no sea muy difícil superarla, de echo en muchos campos ya lo hemos hecho.
    Saludos.

  4. tomás:

    Queridos Neo y Pocosé: Vuestras respuestas son muy acertadas. Solo que si otros organismos han resuelto el problema de modificar sus temperaturas para adaptarlas a cumplir una función y las plantas, en general no lo han hecho, será porque -como dice Pocosé- a la evolución le basta con un aprobado pelado lo cual puede ser muy razonable. Si la nota media está en 4′9, para vencer bastaría un 5 y todo lo demás pudiera ser energía desperdiciada. Habrá que llamarla la ley de Pocosé y tendrá que enunciarla con cierto aire científico. Enhorabuena, querido amigo si es de tu cosecha.
    Abrazos para ambos.

  5. tomás:

    Por cierto, que como la evolución no tiene fin, quizá nos baste esperar unos cuantos cientos de Ma para alcanzar un rendimiento aceptable y nos evitamos los gastos de investigación es esta época de crisis casi mundial. Pero no estoy muy seguro de si estaremos aquí para verlo.

  6. LLuís:

    La “ley de pocosé” responde al principio de mínima acción.De hecho la evolución siempre ha sido más bien cicatera y “comodona”.No desprecia la chapucilla si se puede ahorrar esfuerzos-energía.
    En cuanto a lo que dice tomás sobre “estar aquí”,y dada la “vagancia” de la evolución y salvo sorpresas muy sorpresivas, no creo en absoluto que “estemos aquí para verlo”.

  7. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    El rendimiento de la fotosíntesis no está tan determinado por la captación de la energía solar, sino por el uso del CO2 y su conversión en moléculas orgánicas que almacenen químicamente esa energía captada del Sol. Gran parte de la energía solar captada se pierde al no ser fijada. El cuello de botella es la captación del dióxido de carbono, no la luz del Sol.
    Rubisco, una de las enzimas principales de la fotosíntesis, apareció hace miles de millones de años en las cianobacterias cuando la concentración de CO2 en la atmósfera era muchísimo más alta que la actual. Es la enzima que se heredó en todas las plantas posteriores. Esto forma parte de la historia evolutiva de las plantas.
    Pero la concentración de este gas ha estado bajando desde entonces. La fotosíntesis C4 (frente a la C3) apareció para compensar esa escasez de CO2. Muchas plantas tropicales y de climas templados la incorporan, pero la C3 sigue funcionando bien en climas fríos porque el “bombeo” de CO2 es más difícil conforme disminuye la temperatura. Es climas cálidos las plantas C4 no desperdician la energía captada del Sol tanto como las de C3, al ser más eficientes en la conversión a sustancias orgánicas (4 átomos de carbono fijados frente 3 en cada paso).
    De todos modos no todo puede ser alcanzable por evolución o no siempre pasa cuando se desea. Durante cientos de millones de años no hubo plantas con flores en la Tierra y hace 130 aparecieron las primeras. Fue toda una revolución, pero no se dio antes pese a las increíbles ventajas que aporta. Y pese a todo hubo que esperar otros 30 millones de años hasta el Big Bang floral.
    En evolución hay siempre cierto grado de contingencia (se pudo no dar con C4) e historia (rubisco en este caso). Puede que haya una fotosíntesis aún más eficiente pero no sabemos si eso es alcanzable por las plantas actuales ni cuándo y dónde ocurrirá.
    En los próximos cientos de millones de años el CO2 seguirá disminuyendo y las plantas se las tendrán que arreglar para conseguir CO2 de algún lugar. Quizás evolucionen seres que extraigan carbono de las rocas calizas. Imaginemos algo así como líquenes que diluyan esas rocas mientras captan la luz del Sol. No lo sabremos nunca. La evolución podrá dar sorpresas que ni imaginamos y que además no veremos nunca.

    La conexiones son extrañas. Una planta desarrolla la C4 y al final evoluciona la caña de azúcar. Pero por culpa en parte del cultivo de esta planta se desarrolló el tráfico de esclavos de África hacia América hasta el siglo XIX

  8. Miguel Ángel:

    Muy simpática la ley de Pocosé. También es de mi gusto el modo en que cuenta Lluís cómo funciona la evolución: en alguna ocasión anterior la ha comparado con Pepe Gotera y Otilio, creo que con gran acierto.

    Por otra parte, otro buen apunte de Neo.

  9. Pocosé:

    Estimados amigos:
    Aunque agradecido, tengo que admitir que no existe tal ley de Pocosé, sino el traslado a la evolución de aquella tan antigua “Ley Del Mínimo Esfuerzo”, la cual me ha procurado mas de un disgusto y incluso algún que otro coscorrón en mi infancia y adolescencia.
    Abrazos para todos, pero minimamente efusivos.

  10. tomás:

    Por mi parte, agradecidísimo al magisterio de nuestro querido Neo, siempre tan prolijo y hasta enciclopédico con nosotros. No creía que el limitante fuese el dióxido, máxime cuando se pueden emplear otras fuentes como la que indica de carbonato para formar el “cuerpo” vegetal y sobre todo pensando en la gran abundancia de C y O2 en la Tierra. Pero claro, más abundante es la energía solar. De todas formas la fotosíntesis podría no ser oxigénica. En resumen, que sí, que estoy convencido de las poderosas razones que da pero, como también dice, la evolución es contingente y podría sorprendernos con algún invento que sustituyese al CO2. Pues nada, a releer la lección que es muy completa e interesante.
    Un fuerte abrazo, amigo Neo y otra vez gracias.

  11. thetimethespaceandandtheman:

    “La conexiones son extrañas. Una planta desarrolla la C4 y al final evoluciona la caña de azúcar. Pero por culpa en parte del cultivo de esta planta se desarrolló el tráfico de esclavos de África hacia América hasta el siglo XIX”

    Buena frase final para la buena clase previa.

    Thanks Neo.

    Por cierto, estaba buscando y no encuentro un post tuyo sobre fotosíntesis en bandas infrarrojas.

  12. NeoFronteras:

    El tema es aún especulativo, pero ahí va:

    http://neofronteras.com/?p=4126

    En las no se conoce. De hecho las hojas reflejan muy bien el infrarrojo, algo que se conoce como “efecto wood” en fotografía.

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