Modifican la fotosíntesis de las algas para producir hidrógeno

Uno de los combustibles con mejor pronóstico de futuro es el hidrógeno. Los motores que lo usan obtienen su energía a partir de la reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno del aire, generando solo vapor de agua en el proceso. Una reacción que produce grandes cantidades de energía y que nos permitiría tener coches que no liberan ningún contaminante al medio ambiente.

Pero aunque ya existen prototipos de motores de hidrógeno, aún tienen ciertos problemas que solucionar, por lo que se suele apostar por ellos a medio plazo. Algunos de estos problemas residen en la propia naturaleza del hidrógeno, un gas explosivo si se somete a calor y cuyos átomos son tan pequeños que son capaces de colarse y atravesar las paredes del motor. Ambos hechos vuelven un poco peligrosa la manipulación de estos motores, aunque ya se corrija mediante diferentes dispositivos de seguridad.

El otro gran problema que tenemos es como producir hidrógeno en una proporción suficiente como para usarlo de combustible. Hay muy poco hidrógeno en el aire, y para generarlo a partir de otras moléculas químicas necesitamos aportar nosotros la energía para romper la molécula y obtener el hidrógeno. Paradójicamente, la energía que necesitamos suministrar es casi equivalente a la que luego generaría el motor, por lo que si actualmente todos nuestros coches cambiaran a motores de hidrógeno, no tendríamos contaminación en el centro de las ciudades pero si en las centrales energéticas de la periferia encargadas de dar esa energía extra.

Por este motivo, se buscan otras maneras de generar hidrógeno, en la que no suponga suministrar nosotros la electricidad. Y una solución es aprovechar la producción de hidrógeno que ya realizan algunos seres vivos como las algas. Por todo esto, el último avance científico en esta dirección ha sido muy bien acogido en la carrera del hidrógeno: la creación de un alga transgénica capaz de conseguir hidrógeno en altas proporciones, siendo una pequeña fábrica en sí misma. ¿Su truco? Manipular la fotosíntesis a nuestro favor.

Un segundo plato

Entre la enorme variedad de algas del planeta, existen algunos tipos capaces de producir hidrógeno por sí mismas. Lo logran gracias a una proteína llamada hidrogenasa, capaz de hacer reaccionar protones del interior de sus células para formar moléculas de dihidrógeno, un gas que liberan al exterior y que podemos usar como combustible.

El problema es que este proceso en las algas es algo excepcional, y no lo hacen continuamente. Lo usan como mecanismo de seguridad, para liberar el exceso de protones de otras reacciones bioquímicas del interior de la célula. Es posible forzar el proceso, sometiendo al alga a situaciones de estrés celular, pero esto provocaría que a la larga el alga muriera sin legar a producir una cantidad significativa.

En otras ocasiones hemos hablado sobre la evolución controlada de proteínas, tratando de potenciar sus capacidades en nuestro beneficio, como en el caso de la enzima PET hidrolasa para ser capaz de digerir plásticos.

Pero esta solución no sirve en este caso. Es posible mejorar la hidrogenasa, y hacer que libere mucho más hidrógeno de lo normal, una solución que ya han intentado varios equipos de investigación. Pero eso no soluciona el problema, ya que surge una paradoja: la hidrogenasa necesita recibir electrones de otras reacciones químicas para funcionar, y solo se encarga de eliminar el exceso de protones. Si no hay exceso de protones o electrones que usar, esta no se activará por muy eficiente que sea. Y si se modifica para que se active siempre, sustituiría funciones importantes de la célula provocando su muerte.

Para salir de este callejón, un equipo de científicos de Inglaterra ha optado por una estrategia sorprendente. Pensaron que si la hidrogenasa necesita electrones y protones para funcionar, era posible fusionarla con otra proteína encargada de suministrárselos a ella y solo a ella. De este modo, se acaba generando una hidrogenasa independiente, que puede crear grandes cantidades de hidrógeno sin afectar al resto de la célula.

Quimeras

Con este objetivo en mente crearon una proteína quimera: una fusión de dos proteínas que se logra a partir de combinar los dos genes que la codifican. Si se unen de la manera correcta, ambas proteínas siguen funcionando pero consiguen ventajas adicionales por estar juntas, formando una navaja suiza biológica.

La proteína quimera del estudio se ha creado a partir de la combinación de la mencionada hidrogenasa con la proteína fotosistema I, que libera electrones a partir de la luz solar y regula el primer paso de la fotosíntesis.

Y es que la fotosíntesis no es una única reacción bioquímica, sino toda una cadena de procesos y reacciones, que se activan de manera secuencial. El primer paso aprovecha la energía de la luz solar para generar protones y electrones que permiten activar las reacciones bioquímicas siguientes, formando un efecto dominó que acaba con la generación de glucosa y la transformación del dióxido de carbono a oxígeno.

Las algas realizan la fotosíntesis, por lo que algunas algas ya tienen ambas proteínas, pero sin fusionar. Lo que provoca que el flujo de protones y electrones generado por la luz solar a través del fotosistema uno se aproveche por diferentes procesos biológicos, dejando a la hidrogenasa como un segundo plato. Al fusionar el fotosistema I con la hidrogenasa, lo que estamos haciendo es dar ese suministro inicial de electrones y protones directamente a ella.

Por supuesto, la proteína quimera que han incluido en las algas es un extra. Es decir, ella sigue generando las proteínas por separado, y los mecanismos de fotosíntesis siguen activos de manera independiente. De este modo, se evita afectar al funcionamiento normal.

La estrategia fue un éxito, y las algas celulares con la proteína quimera son capaces de generar una molécula de dihidrógeno cada seis milisegundos en vivo. Suficiente para abrir la posibilidad de cultivar este alga a gran escala en un biorreactor y generar hidrógeno a nivel industrial.

En estos reactores solo necesitamos suministrar alimento, agua y luz a nuestras algas para que puedan multiplicarse y crecer, generando durante el proceso todo el hidrógeno que necesitemos. No necesitamos usar electricidad, y tampoco generamos contaminantes a la atmósfera en el proceso, eliminando uno de los obstáculos en el uso de motores de hidrógeno.

Aun así, todavía queda mucho por hacer. El fotosistema I tiene un problema, y es que se inactiva si hay demasiado oxígeno en el ambiente, algo que a la larga acaba sucediendo dentro del reactor ya que la fotosíntesis lo genera poco a poco. Esto hace que la solución solo funcione si se incluye algún sistema para extraer el oxígeno e introducir dióxido de carbono, algo que, aunque factible, aumenta el coste del proceso.

En este momento, los mismos investigadores están probando a hacer proteínas quimera con diferentes fotosistemas, modificándolos para lograr que el oxígeno no les afecte tanto y mejorar la producción de hidrógeno. Todo sea para que la producción de hidrógeno de las algas pase de ser un segundo plato dentro de la célula a volverse el plato principal.

QUE NO TE LA CUELEN:

• La parte complicada de crear una proteína quimera es que ambas proteínas puedan seguir funcionando. Las proteínas se pliegan para funcionar correctamente, y la fusión debe ser realizada de la manera correcta para que el plegamiento de ambas no se vea perjudicado. Por eso algunas proteínas no se consideran aptas para la fusión.
• Existen algas pluricelulares pero también unicelulares, en las que el alga es la propia célula. De hecho, el propio término de alga es complicado a nivel biológico, e incluye diferentes especies de varias ramas del árbol de la vida.

REFERENCIAS:

• Kanygin, Andrey, et al. “ Rewiring Photosynthesis: A Photosystem I-Hydrogenase Chimera That Makes H 2 in Vivo .” Energy & Environmental Science, Royal Society of Chemistry (RSC), 2020
• Rumpel, Sigrun, et al. “Enhancing Hydrogen Production of Microalgae by Redirecting Electrons from Photosystem i to Hydrogenase.” Energy and Environmental Science, vol. 7, no. 10, Royal Society of Chemistry, Oct. 2014