Un equipo de investigadores con sede en EE. UU., Incluidos científicos del MIPT, ha ensamblado una estructura biológica a nanoescala capaz de producir hidrógeno a partir del agua utilizando luz. Insertaron una proteína fotosensible en nanodiscos (fragmentos circulares de membrana celular compuestos por una bicapa lipídica) y mejoraron la estructura resultante con partículas de dióxido de titanio. un fotocatalizador. Los resultados de la investigación se publicaron en la revista ACS Nano .

Profesor Vladimir Chupin, quien dirige el Laboratorio de Química y Física de Lípidos en el Centro de Investigación del MIPT sobre Mecanismos Moleculares del Envejecimiento y Enfermedades Relacionadas con la Edad, dice, "Nuestros laboratorios que trabajan con proteínas de membrana, en particular con nanodiscos, se centran principalmente en cuestiones biofísicas y médicas. Sin embargo, el reciente estudio conjunto con nuestros colegas de EE. UU. muestra que al reunir materiales biológicos y técnicos, los nanodiscos se pueden utilizar para obtener combustible de hidrógeno ".

Combustible de hidrógeno

El hidrógeno es una de las fuentes de energía alternativas más limpias. Cuando arde el único producto que se forma es vapor de agua. Es más, al 45 por ciento o más, la eficiencia del combustible de hidrógeno es mucho mayor en comparación con menos del 35 por ciento de la gasolina o el combustible diesel. Aunque los principales fabricantes de automóviles, como Toyota, Honda, y BMW, ya están produciendo coches propulsados ​​por hidrógeno, sus números son modestos. El hidrógeno sigue siendo costoso de obtener, en gran parte debido al alto consumo de energía involucrado. Por esta razón, los investigadores están buscando formas de generar este combustible aprovechando otras fuentes de energía.

El hidrógeno se puede producir a partir del agua mediante energía solar. El proceso requiere compuestos especiales llamados fotocatalizadores. El dióxido de titanio es uno de los más utilizados. Difícilmente es el fotocatalizador más eficaz, aunque, por lo que los investigadores hacen todo lo posible para mejorar su rendimiento triturándolo hasta un tamaño nanométrico o añadiendo impurezas. Con ese fin, los científicos del Laboratorio Nacional Argonne en Illinois, NOSOTROS., han recurrido a la biología, ensamblando una nanoestructura hecha de dióxido de titanio y una proteína de membrana llamada bacteriorrodopsina. Mejorando el desempeño de los demás, estos dos componentes sensibles a la luz forman un nuevo sistema cuyas capacidades superan con creces las de sus partes constituyentes.

La bacteriorrodopsina es una proteína fotosensible que forma parte de las membranas de algunas células microbianas. De hecho, hay bastantes de estas proteínas, pero el usado en este estudio fue tomado de Halobacterium salinarum. Un extremo de la proteína sobresale en el exterior de la célula, mientras que el otro extremo está en el interior. La luz solar hace que la bacteriorrodopsina bombee protones fuera de la célula, que permite a la célula sintetizar energía en forma de trifosfato de adenosina. De paso, el cuerpo humano produce un total de aproximadamente 70 kilogramos de ATP todos los días.

Los investigadores ahora pueden sintetizar la vida artificialmente, sin células biológicas involucradas. Por lo tanto, Las proteínas funcionales de la membrana pueden obtenerse mediante el uso de medios que imitan el entorno natural de las proteínas. Entre esos medios disponibles para los científicos se encuentran los nanodiscos, fragmentos de membrana formados por fosfolípidos y rodeados por dos moléculas de proteína en una formación de doble cinturón. El tamaño de un nanodisco depende de la longitud de las dos proteínas en forma de cinturón. Como proteína de membrana, la bacteriorrodopsina pertenece a una membrana celular y, por lo tanto, se encuentra bastante a gusto en un nanodisco, que es una estructura asombrosa diseñada para preservar la estructura proteica natural. Los nanodiscos se han utilizado para estudiar las estructuras de las proteínas de la membrana, desarrollar agentes médicos, y ahora están siendo reutilizados para fotocatálisis. Con la asistencia de científicos de materiales de MIPT, los investigadores obtuvieron nanodiscos de 10 nanómetros de diámetro, con bacteriorrodopsina anidada en su interior.

Terminaron con hidrógeno

El equipo disolvió nanodiscos en agua, junto con partículas de dióxido de titanio. Agregaron platino, porque hace que la fotocatálisis sea más eficaz. Dejado toda la noche en esa mezcla, los nanodiscos se pegaron a las partículas catalíticas. La bacteriorrodopsina, la bomba de protones, se duplicó como antena. Capturó la luz y transfirió su energía al dióxido de titanio, aumentando su sensibilidad a la luz. Además, la bacteriorrodopsina realizó su función habitual de translocación de protones, que fueron reducidos, produciendo hidrógeno gracias a la presencia del catalizador de platino. Debido a que se necesitan electrones para reducir los protones, los investigadores agregaron algo de metanol a la solución para que sirviera como donante de electrones. La mezcla se expuso a luz verde y blanca, con unas 74 veces más hidrógeno producido en el último caso. De media, la emisión de hidrógeno se mantuvo a una velocidad casi constante durante al menos dos o tres horas.

Aunque antes se han realizado experimentos con una nanoestructura similar, utilizaron bacteriorrodopsina en una membrana celular natural. Reemplazándolo con nanodiscos, los investigadores produjeron tanto hidrógeno o más, e incluso requirieron menos bacteriorrodopsina para la misma cantidad de dióxido de titanio. El equipo sospecha que esto podría atribuirse a la capacidad de los nanodiscos compactos y uniformes para interactuar de manera más uniforme con las partículas catalíticas. Aunque la bacteriorrodopsina natural sigue siendo la opción más barata, por ahora, Es posible que la evolución de los métodos de biosíntesis artificial pronto haga de los nanodiscos una alternativa más factible.