Cambiar la forma en que la nación genera y consume energía está en el centro de una nueva subvención de NSF otorgada a la Universidad Estatal de Arizona y Kevin Redding, profesor de la Facultad de Ciencias Moleculares y director del Centro de Bioenergía y Fotosíntesis (CB&P).

El objetivo de Redding y su grupo de investigación es obtener producción de hidrógeno de algas a escala industrial, un objetivo que requiere una mejora con respecto a la tecnología actual en al menos cinco veces.

"No veo el hidrógeno tanto como un combustible, pero como un bien esencial que consumimos a un ritmo de más de 20 millones de toneladas métricas por año, y que ahora fabricamos mediante la reformación al vapor de combustibles fósiles, un proceso que consume mucha energía y produce dióxido de carbono, "Redding explicó." Si pudiéramos reemplazar incluso una parte de eso con biohidrógeno de algas que se produce a través de la luz y el agua, tendría un impacto sustancial. Sin embargo, el estado del campo de biohidrógeno ni siquiera está cerca de donde debe estar para ser comercialmente viable ".

"Pensamos que debían adoptarse algunos enfoques radicalmente diferentes, por lo tanto, nuestra loca idea de conectar la enzima hidrogenasa directamente al Fotosistema I para desviar una gran fracción de los electrones de la división del agua (por el Fotosistema II) para producir hidrógeno molecular ".

Es de conocimiento común que las plantas y las algas, así como cianobacterias, utilizar la fotosíntesis para producir oxígeno y "combustibles, “siendo estas últimas sustancias oxidables como carbohidratos e hidrógeno. Hay dos complejos pigmento-proteína que orquestan las reacciones primarias de la luz en la fotosíntesis oxigenada:Fotosistema I (PSI) y Fotosistema II (PSII).

Algas (en este caso el alga verde unicelular Chlamydomonas reinhardtii, o 'Chlamy' para abreviar) poseen una enzima llamada hidrogenasa que usa electrones que obtiene de la proteína ferredoxina, que se utiliza para transportar electrones desde PSI a varios destinos. La hidrogenasa de algas se inactiva rápida e irreversiblemente por el oxígeno que produce constantemente el PSII. Se espera que la vinculación de la hidrogenasa directamente al PSI mitigue los problemas, incluido el hecho de que la hidrogenasa compite poco por los electrones y que es inactivada por el oxígeno.

"Utilizando el concepto retorcido de PSI-hidrogenasa, Andrey Kanygin ha logrado producir un alga diseñada que brinda la mejor producción sostenida de hidrógeno de todas las algas. Trabajando con Alec Smith, un Barrett Fellow de CB&P, han producido una nueva cepa que tiene la tasa inicial más alta jamás medida, pero luego cae. Con esta beca, es de esperar que podamos producir un organismo con lo mejor de ambos:tasas altas que se mantienen durante mucho tiempo ".

En un futuro sistema comercial, uno querrá poder hacer crecer las células normalmente al principio, y luego cambiarlos a un modo en el que la mayoría de los electrones se desvían para producir hidrógeno, esencialmente cruzando desde un sistema de replicación barato a una "biofábrica" ​​en la que la luz solar impulsa la producción de hidrógeno utilizando agua. Los sistemas propuestos proporcionan una forma obvia de hacerlo activando los genes que codifican las proteínas PSI-hidrogenasa unidas. Como consecuencia, los electrones se desviarán de la fijación de dióxido de carbono a la producción de hidrógeno.

Asociarse con Israel

La subvención de la NSF es parte de la Fundación Binacional de Ciencias de Estados Unidos e Israel (BSF). En este arreglo, un científico estadounidense y un científico israelí unen fuerzas para formar un proyecto conjunto. El socio de EE. UU. Presenta una subvención para el proyecto conjunto a la NSF, y el socio israelí presenta la misma subvención a la ISF (Fundación de Ciencias de Israel). Ambas agencias deben estar de acuerdo en financiar el proyecto para obtener el financiamiento del BSF. Prof. Iftach Yacoby de la Universidad de Tel Aviv. Socio de Redding en el proyecto BSF, es un joven científico que comenzó en TAU hace unos 5 años y se ha centrado en diferentes formas de aumentar la producción de biohidrógeno de algas.

"Iftach está adoptando enfoques muy diferentes para este problema, que no veo a nadie más haciendo. Algunos de sus trabajos son un poco controvertidos, pero creo que sus conclusiones básicas son sólidas. Hemos estado hablando entre nosotros de forma intermitente durante algunos años, pero recientemente nos dimos cuenta de que nuestros enfoques y habilidades son muy complementarios. Es una asociación natural. ¡Ya estamos trabajando en nuestros dos primeros manuscritos conjuntos! "

Aprovechar el talento de las escuelas locales

Redding también se está asociando con el Instituto Global de Sustentabilidad de ASU para desarrollar un módulo dentro de su Academia Regional de Maestros de Sustentabilidad de Wells Fargo. Están trabajando con Molly Cashion y Robert McGehee, los Coordinadores del Programa de la Academia.

El equipo desarrollará un módulo sobre la detección de algas con un método de recubrimiento de agar. Ellos capacitarán a los maestros de las escuelas intermedias y secundarias locales sobre cómo hacer esto en la Academia. Solo necesitarán un horno microondas y un baño de agua para realizar el ensayo. y sus estudiantes construirán sus iluminadores en una caja de cartón usando tiras de LED y baterías AA. Los estudiantes de pregrado voluntarios traerán otros materiales a las aulas y ayudarán a los maestros según sea necesario. Las algas se cultivan en platos, cubierto con agar mezclado con Rhodobacter, y se deja desarrollar durante la noche.

Los estudiantes pueden fotografiarlos al día siguiente con las cámaras de sus propios teléfonos usando un pequeño filtro de interferencia verde proporcionado por la subvención. Luego, pueden sacar sus propias conclusiones sobre las mejores cepas productoras de hidrógeno. Este plan se basa en conceptos de los conceptos de enseñanza de ciencias de la próxima generación, en el que el aprendizaje es impulsado por la propia curiosidad de los estudiantes. Se les dará solo una explicación superficial al principio, pero, a medida que avanza el experimento, los científicos responderán a sus preguntas sobre cómo funcionan las cosas. Se alentará a los estudiantes a experimentar con diferentes condiciones para descubrir las mejores cepas de algas y cómo persuadirlas para que produzcan más hidrógeno. De este modo, se convierten en socios en el descubrimiento.