Bacteria en el caparazón: un híbrido nano-bio por la captura de energía solar

Blog original en inglés por Tian Qiu
Traducido por Jane Moye-Rowley

Ya que yo soy una fan de ciencia ficción, vi recientemente dos películas: la Guerra de las galaxias la original (con la cual es probable que usted ya esté familiarizado) y Ghost in the Shell (una animación japonesa pos-ciberpunk). Ambas películas tuvieron una característica compartida muy interesante: un híbrido humano-máquina. ¿Pero qué tiene que ver esto con la nanotecnología?

Darth Vader

¿El híbrido humano-máquina más famoso de la cultura pop? (imagen de The Empire Strikes Back, adaptado por StarWars.com)

En las películas de la Guerra de las galaxias, lo único que se interpone entre Darth Vader y su muerte es su traje metálico, que le da la habilidad de respirar y moverse. En Ghost in the Shell, casi todos los caracteres tienen implantes robóticos. Unos tienen sistemas electrónicos aumentando a sus mentes mientras otros tienen niveles diferentes de prótesis avanzadas. La carácter principal, Motoko Kusanagi, tiene un prótesis de todo el cuerpo. Eso es la razón que la película se llama Ghost in the Shell (Fantasma en el caparazón): la conciencia de un individuo se envuelta por un cuerpo artificial y solo puede comunicar con el mundo externo a través de este “caparazón”.

Ghost in the Shell

Mokoto Kusanagi, la carácter principal en Ghost in the Shell (imagen vía The Vault)

El híbrido humano-máquina es un tema común en la ciencia ficción, y hay muchos discursos que cuestionan la frontera entre seres humanos y máquinas. Aunque la idea de un ciborg es todavía ciencia ficción, la ciencia ha adelantado muchos desarrollos fascinantes en la interfaz inorgánico-biológica. En particular, mi atención fue capturada por progreso científico reciente en el uso de híbridos de nanopartículas y bacteria por la captura de energía solar.

Conocemos al sol tan bien, a menudo no pensamos en ello. Pero el sol no sólo nos provee con calor, la comida que comemos cada día viene del sol también. Plantas absorben luz solar para producir productos químicos que almacenan la energía en un proceso que se conoce como fotosíntesis. Luego los nutrientes en estas plantas son digeridos por ganados y humanos y usados por energía. Así, en el mundo actual, en lo cual la seguridad de comida es gran cosa y combustibles fósiles se agotan lentamente, la fotosíntesis es muy importante a cada uno de nosotros.

Sin embargo, fotosíntesis natural tiene sus desventajas. Fotosíntesis es compuesta por gran parte de dos procesos:

  1. Un proceso para cosechar la luz, que convierte la energía de luz solar a electronos, y
  2. Una serie de reacciones electroquímicas que usa estos electronos para formar productos químicos nuevos
la fotosíntesis

La fotosíntesis: plantas usan luz solar, agua y dióxido de carbono para poder crecer. (imagen de Wikipedia)

Así como el cerebro humano no puede exceder la velocidad de calculación de una computadora, la eficiencia de cosechar luz de una planta no puede competer con la de un semiconductor inorgánico. Por la otra mano, ninguna cosa artificial es mejor actualmente que lo que ocurre en la naturaleza para realizar el segundo proceso de fotosíntesis (la formación de nuevas químicas) a causa del poder catalítico de enzimas biológicas. Enzimas son (en gran parte) proteínas que aceleran las reacciones químicas en células. Enzimas son tan buenas en lo que hacen que, actualmente, ninguna cosa hecha por el hombre puede comparar con este bonito sistema natural.

¿Qué pasaría si combinaríamos la capacidad de cosechar luz de semiconductores inorgánicos y el poder catalítico de una célula biológica? ¿Podemos tener un híbrido en el estilo de ciencia ficción, en lo cual dispositivos robóticos aumentan las habilidades naturales?

Científicos han experimentado con esta idea que se llama “fotosíntesis artificial” (¡afortunadamente, no hay problemas éticos en hacer unos “ciborgs” bacteriales!). En estas investigaciones de vanguardia, los nanomateriales han desempañado un papel critico. Semiconductores en la nanoescala, que se llaman puntos cuánticos, pueden absorber luz de una determinada longitud de onda basada en sus tamaños. Una entrada previa del blog de Nano Sostenible (en inglés) describió con detalle estos materiales (en inglés). La capacidad excelente para la cosecha de luz de estas semiconductoras en la nanoescala les hace ideal para el desarrollo de fotosíntesis artificial, porque estos puntos cuánticos absorben la luz bien, incluso mejor que los pigmentos verdes que absorben luz en plantas.

puntos cuánticos de CdS

Tamaños diferentes de puntos cuánticos de CdS presentan fluorescencia en diferentes longitudes de onda (imagen por NASA)

Recientemente, científicos en Berkeley, California hicieron un sistema híbrido nano-bio de una bacteria no-fotosintético y puntos cuánticos de sulfuro de cadmio (SdC) en la nanoescala.1 Esto hibrido puede usar luz y dióxido de carbono del aire para producir ácido acético. Ácido acético es el componente principal en vinagre, aparte de agua. Esencialmente, ¡este híbrido usa dióxido de carbono del aire para hacer vinagre!

vinagre

Bacteria + nanopartículas = ¿¿algo delicioso?? (imagen de Pixabay)

Interesantemente, estos nanomateriales de SdC no fueron exactamente desconocidos por las células bacteriales. Se pueda pensar que este experimento requería la combinación de nanomateriales sintéticos y células bacteriales para formar un híbrido. Estos investigadores experimentaron así en trabajo anterior, pero en este caso las bacterias hicieron los nanomateriales SdC con la adición de unas sustancias químicas. Como se puede ver abajo en la micrografía de electrón bonita, el exterior de las células bacterianas fue cubierto en un “caparazón” de nanomateriales de SdC. Eso es por qué lo digo “Bacteria en el caparazón” – me recuerda la conciencia humana que se puso en un caparazón robótico en Ghost in the Shell.

un híbrido bacteria-SdC

Una imagen de microscopio de electrón de un híbrido bacteria-SdC, mostrando su “caparazón” de nanopartículas. (imagen por cortesía de Kelsey Sakimoto y Peidong Yang)

El caparazón de SdC funciona en este caso como una fábrica de cosecha de luz, el primer paso de fotosíntesis. Cuando la luz incide sobre los nanomateriales de SdC, electronos absorben la luz, se excitan, y saltan a un nivel de energía más alto. Estos electronos excitados inician una serie de reacciones bioquímicas con la ayuda de enzimas en células para producir, finalmente, ácido acético. En este híbrido nano-bio, las partes abióticas y bióticas colaboran estrechamente para producir productos químicos útiles y para mantenerlas vivas las células bacterianas. Sin luz o el caparazón de nanopartículas, estas células bacterianas morirían rápidamente. En mi opinión, ¡esta es la parte más fascinante del sistema híbrido!

Esta integración de componentes abióticos y bióticos es igual que los sueños de personas en ciencia ficción. En Ghost in the Shell, todas las personas tienen partes cibernéticas en el año 2030. Quizás no vamos a ser ciborgs en aquel tiempo (aunque lo me gustaría mucho), pero la tecnología ya viene para sistemas híbridos nano-bio para ayudarnos a obtener más energía del sol y alimentar a nuestro mundo.


RECURSOS INFORMATIVOS


REFERENCIAS

  1. Sakimoto, K., Wong, A., & Yang, P. Self-photosensitization of nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production. Science, 2016, 351 (6268), 74-77. DOI:10.1126/science.aad3317
  2. Liu, C., Gallagher, J., Sakimoto, K., Nichols, E., Chang, C., Chang, M., & Yang, P. Nanowire–Bacteria Hybrids for Unassisted Solar Carbon Dioxide Fixation to Value-Added Chemicals. Nano Letters, 2015, 15 (5), 3634–3639. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b01254

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s