Fotosíntesis para
obtener energía limpia.
Aislados de plantas,
algas o cianobacterias, los fotosistemas son responsables de la conversión
natural de la luz solar en energía en la naturaleza. La PSII es un tipo valioso
de fotosistema porque utiliza el agua como fuente de electrones para la
generación de electricidad.
Es la fuente de todo
el oxígeno que respiramos y todos los alimentos que comemos. Pero las BIOcells
que contienen solo complejos PSII solo tienen una eficiencia limitada. La
eficiencia se mide por la cantidad de energía eléctrica que sale de la celda
dividida por la energía solar que ingresa.
La PSII sola solo
puede convertir un rango limitado de luz.
No pueden convertir
la luz verde, que constituye aproximadamente el 50% de la luz visible, en
energía. En las cianobacterias y las algas rojas, esto se rectifica mediante el
complejo de recolección de luz Phycobilisome (PBS).
Los PBS son
estructuras de proteínas que se encuentran en las cianobacterias que les
permiten recolectar luz que las moléculas de clorofila en PSII no absorben de
manera eficiente. Los PBS funcionan como un transmisor que absorbe la luz y
dirigen la energía de excitación hacia los centros de reacción de PSII.
Eficiencia
limitada.
“Por única que
sea la PSII, su eficiencia es limitada, ya que puede usar simplemente un
porcentaje de la luz solar”,
explica el profesor Marc Nowaczyk.
“Las
cianobacterias han resuelto el problema formando proteínas especiales de
recolección de luz. Es decir, el PBS, que también hace uso de esta luz. Esta
cooperación funciona en la naturaleza, pero aún no en el tubo de ensayo”.
El profesor Noam
Adir, agregó que, “al igual que en la naturaleza, nuestros grupos
colaboraron, aportando nuestra experiencia en aislar el PBS...”.
Para que la
colaboración entre las cianobacterias y la fotosíntesis de las plantas sea
funcional en una BIOcell artificial, los equipos lograron producir un
bioelectrodo de dos componentes. Esto incluyó la difícil tarea de unir
funcionalmente los complejos multiproteicos PBS y PSII. Algunos de estos se
combinaron entre especies.
Logros mejorando
la eficiencia obtenida.
Los investigadores,
dirigidos por el Dr. Volker Hartmann (RUB) y el Dr. Dvir Harris (Technion),
estabilizaron la interacción entre PSII y PBS.
Fijaron
permanentemente las proteínas a una distancia muy corta entre sí mediante
reticuladores. Los reticuladores son moléculas con dos o más extremos reactivos
que son capaces de unirse químicamente a grupos funcionales específicos en
proteínas.
Después de
entrecruzar PSII con PBS, el equipo pudo insertar los súper complejos en las
estructuras de electrodos apropiadas.
La integración de
los supercomplejos PBS-PSII dentro de un hidrogel en electrodos de óxido de
indio y estaño macro-porosos (MP-ITO) mejoró la eficiencia de conversión de
fotón a electrón incidente (IPCE). Los valores de IPCE en el “espacio verde” se
duplicaron en comparación con los electrodos PSII sin PBS y el IPCE en el
espacio de luz verde alcanzó un máximo del 10,9%.
La capacidad de
ensamblar estas proteínas es un gran avance en el desarrollo biológico de las
células solares. Esto significa que los complejos de proteínas de diferentes
especies se pueden combinar funcionalmente para crear sistemas
semi-artificiales. Estos tienen las ventajas acumulativas de las diferentes
especies utilizadas.
En su futura
investigación de BIOcell, los equipos se centrarán en optimizar la producción y
la vida útil de los componentes biológicos.
