Los sistemas bioelectroquímicos combinan lo mejor de ambos mundos (células microbianas con materiales inorgánicos) para producir combustibles y otros productos químicos ricos en energía con una eficiencia incomparable. Sin embargo, las dificultades técnicas los han mantenido imprácticos en cualquier lugar que no sea un laboratorio. Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han desarrollado una nueva membrana a nanoescala que podría abordar estos problemas y allanar el camino para la ampliación comercial.

La membrana a nanoescala está incrustada con cables moleculares que simultáneamente separan químicamente, sin embargo, se acoplan electroquímicamente, un catalizador microbiano e inorgánico en la escala de longitud más corta posible. Esta nueva arquitectura modular, descrito en un artículo publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza , abre un gran espacio de diseño para construir sistemas electroquímicos biohíbridos escalables para una variedad de aplicaciones, incluida la generación de electricidad, remediación de residuos, y recuperación de recursos, además de síntesis química.

El trabajo fue dirigido por Heinz Frei, un científico senior en la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada de Berkeley Lab (MBIB), y Caroline Ajo-Franklin, un científico del personal de la Fundición Molecular de Berkeley Lab que tiene un cargo secundario en MBIB.

"Este avance introduce una arquitectura completamente nueva para los sistemas bioelectroquímicos basados ​​en la integración a nanoescala y proporciona un camino hacia la ampliación de estos sistemas a un nivel comercialmente relevante, "dijo Frei." Además, proporciona un ejemplo de cómo se aplica un principio de diseño clave inspirado en la biología para resolver una brecha científica importante de los sistemas de ingeniería ".

Los sistemas electroquímicos biohíbridos emplean catalizadores microbianos e inorgánicos separados en la oxidación-reducción, o redox, reacciones, para capitalizar las fortalezas complementarias de cada componente. Los microbios pueden sintetizar moléculas complejas con alta selectividad, mientras que los catalizadores inorgánicos son los colectores de energía más eficientes. Estos sistemas biohíbridos son atractivos como tecnología sostenible para producir combustibles y productos químicos de alto valor utilizando energía renovable.

Pero, Un desafío fundamental en el diseño de sistemas biohíbridos es que los entornos que apoyan la función óptima de las células vivas y los materiales inorgánicos son químicamente incompatibles. resultando en toxicidad, corrosión, o reacciones cruzadas que degradan la eficiencia. Hasta la fecha, el enfoque ha sido mantener los componentes biológicos y abióticos separados físicamente por distancias macroscópicas (milímetro a centímetro). Sin embargo, esto exige un alto costo en términos de eficiencia, debido a pérdidas de resistencia (del orden del 25 por ciento del voltaje de la celda) causadas por el transporte de iones entre los componentes, haciendo impracticable la ampliación a niveles comercialmente relevantes.

En sistemas electroquímicos, hablando en general, una reacción de oxidación en el ánodo y una reacción de reducción en el cátodo crean una fuerza impulsora para que fluyan los electrones, convirtiendo así la energía química en energía eléctrica o viceversa. Como prueba de concepto, los investigadores acoplaron electroquímicamente Shewanella oneidensis, una bacteria anaeróbica, a un catalizador inorgánico, dióxido de estaño (SnO2). A 2 nanómetros de espesor, la membrana de sílice permitió el flujo de corriente mientras bloquea el transporte de oxígeno y otras moléculas pequeñas.

Este estudio se basa en trabajos previos del grupo de Frei en el que fabricaron un fotosistema artificial de una pulgada cuadrada. en forma de una matriz inorgánica de nanotubos núcleo-capa, y por el grupo de Ajo-Franklin en el que el conocimiento a nivel molecular reveló cómo la proteína de la membrana celular externa interactúa con una superficie de óxido inorgánico.