Buenas a todos los mediavideros asiduos al foro de Ciencia, es mi primer hilo aquí así que espero hacerlo lo mejor posible trayendo un tema nuevo, la fotosíntesis artificial, que creo que puede resultar un tema muy interesante y que avive esta sección del foro.
Breve resumen del cloroplasto
Se trata de un orgánulo presente en las células vegetales cuya función primordial es realizar la fotosíntesis, aunque también pueden servir de almacenaje o para sintetizar pigmentos. Tiene ADN propio, ribosomas, estroma/matriz (es la sustancia sobre la que se encuentran el resto de componentes) y dos membranas: plastidial y tilacoides. Esta última es la más importante pues es la que alberga los pigmentos necesarios para hacer la fotosíntesis, que serán excitados perdiendo un electrón y que recuperarán en la hidrólisis del agua.
¿Qué es la fotosíntesis?
Bueno, antes de proseguir, creo que se debe explicar qué es exactamente el proceso de la fotosíntesis. Es una reacción anabólica (es decir que emplea energía para construir materia, lo contrario al anabolismo) que comprende dos fases: luminosa y "oscura", y cuyo fin principal es producir materia orgánica que sirva a la planta para nutrirse. Para obtener la energía, la planta usará ATP y NADPH, moléculas que se obtienen por el gradiente electroquímico de protones y el paso de electrones (el gradiente es producido a su vez por el paso de la cadena de electrones, que consiste en su transferencia a través de complejos moleculares).
¿Gradiente electr... qué? Es uno de los procesos más importantes en orgánulos como la mitocondria y el cloroplasto para obtener moléculas energéticas como el ATP, producido por el paso de protones a través de bombas (estructuras celulares que permiten el paso de diversas sustancias, iones, protones... de un lado a otro de la membrana). Hay dos tipos de gradiente: a favor y en contra. Se dice que es a favor cuando las moléculas pasan al otro lado de la membrana sin gasto energético (lo que resulta rentable para producir energía) y en contra cuando debe gastar energía para su paso. El paso a favor se produce cuando las moléculas pasan del lado más concentrado al menos, y en este caso, es electroquímico porque se producirá una diferencia de carga y pH a ambos lados de la membrana y también de concentración, pero sin embargo, para que haya un flujo de energía, las concentraciones a ambos lados no pueden igualarse, pues al estar en equilibrio no hay una diferencia de concentración que haga necesario un intercambio.
Fase luminosa~
Esta etapa requiere de energía solar, absorbida a través de los fotosistemas de las hojas, los cuales son dos y se abreviarán bajo el nombre de FI y FII. Sólo una parte de la luz será aprovechada, pues la otra será reflejada, su ángulo de incidencia sobre el haz de la hoja no será favorable, determinados espectros no pueden ser absorbidos por los pigmentos fotosintéticos... El fotosistema es un complejo molecular que se encarga de absorber la luz y se halla formado por el complejo antena (el que alberga los pigmentos) y el centro de reacción (alberga las clorofilas donde se excitará al electrón). Los pigmentos tienen una longitud de onda característica, que determinan qué tipo de luz y frecuencia son capaces de captar. El proceso comienza con la incidencia de luz sobre el FII donde se excita a un electrón de la clorofila p680 y se va transfiriendo por diversos complejos: plastoquinona D2 y D1, citocromo-b6f y plastocianina, la cual se lo cede al FI que se reduce (al aceptar el electrón). El FI cede el electrón a la ferredoxina y pasa a la ferredoxina-NADP-reductasa, que es un complejo que reduce al NADP (coenzima) a NADPH. Cuando este NADPH ceda la energía que almacena, se dice que se oxida. Debido a la cadena de electrones, se produce un gradiente electroquímico de protones del estroma al lumen (en contra), para después hacer el paso reverso a favor pasando a través del complejo ATP-sintasa, que produce ATP. Sin embargo; tenemos a la clorofila p680 oxidada al excitarse y perder el electrón, así que para reponerla, una enzima rompe la molécula de agua (en realidad deben ser 2, para dar una molécula de oxígeno y cuatro protones, y así se puede devolver el electrón a la clorofila inicial). Ya tenemos las moléculas energéticas para realizar la fijación de carbono: la producción de materia.
Fase oscura/Ciclo de Calvin~
Aunque esta fase es independiente de luz de manera directa, necesita de los productos de la fase luminosa que sólo se produce con luz, por lo que realmente es inherente a la radiación y el apelativo "oscura" hace referencia a que no es dependiente de luz de manera directa. El ATP y NADPH del paso anterior se aprovechan para la fijación del CO2 atmosférico sobre la molécula ribulosa-1,5-bifosfato para producir azúcares que servirán de nutrientes, gracias a una enzima muy importante: la RUBISCO (ribulosa 1,5-bisfosfato carboxilasa). Llegados a este punto, hay dos opciones de ruta que la planta puede seguir: la fijación del carbono o la fotorrespiración, que es desfavorable puesto que la molécula se oxigena y pierde un carbono (posible biomasa), compitiendo el CO2 contra el oxígeno. El que la RUBISCO haga una ruta u otra depende del ratio de oxígeno y CO2 disponible. Si se produce la fijación de carbono, a partir de la ribulosa se obtiene 3-fosfoglicerato que gasta ATP y NADPH para transformarse en gliceraldehído-3-fosfato, que se transporta al citosol para sintetizar la sacarosa, por ejemplo (un azúcar). La ribulosa 1,5-bisfosfato se regenera por fosforilación del ATP sobre la ribulosa-5P, también gracias al ciclo de Calvin.
Fotosíntesis artificial
Ahora que se ha explicado en qué consiste la fotosíntesis, empieza a esclarecerse el por qué los investigadores tienen tanto afán en desentrañar este proceso de la Naturaleza que además, se nutre de la física cuántica y de la química. Si fuéramos capaces de emular a las plantas, podríamos obtener energía a través del Sol y de gases (con aportación de una fuente de agua), aunque técnicamente, el proceso sufre unas modificaciones, ya que lo que nos interesa sería almacenar la transferencia de energía para su uso, y no para producir biomasa. Se ha propuesto que la molécula de almacenaje sea el hidrógeno, puesto que es limpio y abundante, y ya se habla de él como el combustible del futuro.
Ya se han construido prototipos de aparatos para esta fotosíntesis tan especial, fundamentalmente consisten en catalizadores e incluso bajo estructuras de hojas biónicas. Uno de los referentes en este campo es Daniel Nocera, químico del MIT y que en 2011 presentó su prototipo de hoja artificial: un catalizador ubicado en un recipiente con agua, fabricado fundamentalmente de silicio, níquel y cobalto; aunque a día de hoy continúa en sus investigaciones por perfeccionar el proceso. Por electrolisis, se rompe la molécula de agua para dar hidrógeno y oxígeno. Dejo una entrevista que cedió a la UAB: https://www.uab.cat/web/sala-de-prensa/detalle-noticia/la-hoja-bionica-podria-proporcionar-almidon-farmacos-cualquier-cosa-de-manera-renovable-1345667994339.html?noticiaid=1345732713145, con un detalle muy interesante:
¿Es mejor obtener hidrógeno de esta manera que obtener directamente electricidad con paneles fotovoltaicos?
Sí. Los paneles solares están bien, pero sólo puedes tener electricidad cuando hay luz solar. Cuando el sol se pone dejas de tenerla. En cambio, la separación del agua [en hidrógeno y oxígeno] te propociona un mecanismo para almacenar la energía solar, para que cuando el sol caliente el panel estés generando electricidad y la almacenes en forma de hidrógeno y de oxígeno. Entonces, más tarde, por la noche, puedes recombinarlos en una celda de combustible y obtener de nuevo la electricidad que necesites. La hoja artificial te proporciona un método para almacenar la energía. Sin ella sólo puedes utilizar el panel solar cuando hay luz solar.
Sin embargo; el primero en desarrollar esta novedosa idea, fue John Turner, pero su dispositivo pese a que era muy eficiente, no resultaba rentable al ser su vida útil de 1 día y estar hecho de metales caros. La Universidad de Cambridge también trabaja en su prototipo, que genera ácido fórmico (fácil de almacenar y convertible a hidrógeno):
En estos ambiciosos proyectos trabajan químicos, bioquímicos, biólogos, físicos, matemáticos e ingenieros, que se tendrán que encargar de llevar el proceso a escala industrial para implantar estas granjas de hojas artificiales. Además, se requiere de la participación de ambientólogos, economistas y personas competentes en el ámbito de las políticas energéticas y en la diplomacia y mediación entre países para gestionar una nueva fuente energética distinta al monopolio de determinadas energías como el petróleo.
EDIT: dejo un vídeo que he encontrado de Daniel Nocera, en el que explica su proyecto y podéis ver cómo pone en marcha la hoja artificial:
https://www.muyinteresante.es/ciencia/articulo/llega-la-fotosintesis-artificial
