Uno de los más recientes vocablos aparecidos en nuestro idioma es el de “nanotecnología”, término por el que nos referimos a la ciencia aplicada que nos permite manipular lo muy pequeño. Y por “muy pequeño” me estoy refiriendo a todo aquello menor de 1 micra. Es decir, es la tecnología que nos permite manipular átomos y moléculas.

Pero los seres humanos no somos los primeros nanotecnólogos. Ese honor le corresponde a cualquier célula, sea esta una bacteria, un protozoo o un fibroblasto. Las células están continuamente realizando procesos nanotecnológicos para mantenerse vivas. Como siempre, los seres humanos estamos aprendiendo a copiar procesos que se llevan a cabo en la Naturaleza con la esperanza de mejorarlos y beneficiarnos de ellos.

Desde mediados del siglo pasado se buscan alternativas energéticas al petróleo y otros combustibles fósiles. Dejando de lado la polémica sobre el cambio climático, lo cierto es que la generación de energía es uno de los factores limitantes del desarrollo de cualquier sociedad. En estos últimos años se ha incrementado la preocupación social y política por el tema, sobre todo por sus aspectos medioambientales, y eso ha provocado un mayor interés en la investigación y desarrollo de nuevas fuentes de energía, o en la mejora de las actuales. Este el caso de la energía eléctrica. Está considerada como el paradigma de la “energía limpia” y por ello cada vez se potencia más su uso en la vida cotidiana.

Sin embargo el uso generalizado de la energía eléctrica presenta una serie de dificultades. Uno de ellos es su generación. Actualmente podemos generarla mediante hidroelectricidad, energía nuclear, quema de combustibles fósiles, viento o luz solar. Esta última tecnología es una de las que mejor prensa tiene entre la sociedad, por lo que no es raro ver en nuestros campos cada vez más “granjas solares”. Pero hay una segunda dificultad, no menor que la primera: lo difícil que es almacenar la electricidad. La energía eléctrica se genera para su consumo inmediato. La única forma de almacenar energía eléctrica es mediante baterías o pilas. El almacenaje de la energía eléctrica es la principal limitación para el uso de vehículos eléctricos, ordenadores portátiles y otras aplicaciones similares. Se están realizando numerosos esfuerzos en el desarrollo de materiales que permitan almacenar, cargar y descargar de manera eficiente la energía que acumulan. Es decir, se necesitan hacer pilas mejores, más pequeñas y más baratas.

Una pila eléctrica consiste fundamentalmente en un ánodo, un cátodo, algo que los separe y un electrolito conductor que fluya entre ellos. Cuando los electrones viajan hacia el ánodo a través del material conductor la pila transforma la energía química producida por dicho flujo en energía eléctrica. Una pila recargable contiene un material que “almacena” electrones en el cátodo y que posteriormente puede volver a liberarlos. Y aquí nos encontramos con el tercer inconveniente. Hasta ahora, los materiales con los que se construyen las pilas son sales químicas que contienen metales muy contaminantes como el litio e el cadmio. Eso supone un grave riesgo medioambiental a la hora de desecharlas por haberse agotado.

Son varios grupos investigadores los que han abordado este problema usando la nanotecnología. Y entre ellos destaca el dirigido por la profesora Angela Belcher en el Instituto de Tecnología de Massachussets, más conocido por sus siglas MIT. La profesora Belcher ha utilizado como material nanotecnológico a un ente biológico: el virus bacteriófago M13.

Los virus bacteriófagos, o fagos para abreviar, son virus que atacan a las bacterias. Penetran en ellas y se multiplican en su interior en tan gran número que al final la bacteria acaba explotando y liberando los virus al medio. Pero el M13 no hace eso. Podríamos decir que llega a un acuerdo con la bacteria que ha infectado. Se multiplica en su interior pero no de manera “explosiva”, sino que van liberando constantemente partículas virales de la bacteria. La bacteria no muere y además transmite el fago a su descendencia. La estructura del fago M13 es muy simple, su forma es la de un cilindor alargado compuesto de un ácido nucleico rodeado de una cápside protectora compuesta de proteínas.

Pues bien, el grupo de la profesora Belcher ha conseguido manipular genéticamente al M13 para modificar su cápside. En primer lugar diseño una cápside que se uniera a moléculas de óxido de cobalto y oro para crear un ánodo. Posteriormente diseñaron otro tipo de manipulación para que recubrir la cápside con fosfato férrico y así crear un nanocable que fue utilizado para formar un cátodo. De esa forma consiguieron fabricar una bio-batería que podía ser recargada hasta 100 veces y que tenía unas prestaciones similares a las pilas de litio comerciales. La principal ventaja es que los materiales utilizados no suponen ningún peligro medioambiental. La principal desventaja es que el proceso de elaboración es todavía demasiado caro por lo que no sería economicamente competitivo. Pero es un primer paso.

No se han quedado ahí. El último avance de este grupo investigador ha consistido en crear un virus M13 capaz de imitar parte del proceso fotosintético que sucede en las plantas. Para ello han recubierto al fago con dos tipos de molécula. Por un lado porfirinas de zinc, un pigmento capaz de captar la energía de los fotones y de transferir su energía a la segunda molécula. Esta se trata de complejos de óxido de iridio que actúan como un catalizador capaz de realizar la rotura de una molécula de agua (H₂O) dando lugar a oxígeno molecular (O₂), protones (H⁺) y electrones.

En palabras de Belcher, hemos usado los mismos componentes físicos que otra gente ha usado antes, pero hemos usado a la Biología para organizarlos correctamente y así obtener una mayor eficiencia. Ahora están interesados en completar la parte final del proceso: la producción de hidrógeno molecular (H₂) al combinar entre sí los protones liberados durante la reacción de rotura del agua. Y esto si que sería interesante, pues el hidrógeno es un gas que puede almacenarse y usar posteriormente para producir electricidad mediante su combustión en una célula de combustible. Al hacerlo volveríamos a tener agua como residuo. La profesora Belcher espera desarrollar el primer prototipo que consiga completar todo el proceso en el plazo de dos años. Seamos optimistas.

 

Manuel Sánchez

Grupo de Biotecnología, Salud y Medio Ambiente

Departamento de Producción Vegetal y Microbiología

Universidad Miguel Hernández

http://curiosidadesdelamicrobiologia.blogspot.com

 

 

Figura 1: Esquema mostrando la estructura interna del bacteriófago M13. En rojo se representa la molécula de DNA en el interior de la cápside, que está formada por cinco tipos de diferentes proteínas (óvalos púrpura, añil, azul, amarillo y verde). La proteína mayoritaria es la denominada p8. Sobre el gen que codifica para dicha proteína se realizan las manipulaciones genéticas que posteriormente permiten el recubrimiento de la cápside con los materiales seleccionados por los investigadores. Las otras proteínas también pueden ser manipuladas para permitir que los fagos puedan unirse a diferentes superficies y así elaborar diferentes materiales nanotecnológicos.

 

 

Figura 2: Esquema mostrando la nano-arquitectura del dispositivo fotosintético creado en el laboratorio de la profesora Belcher. En el fondo de la imagen pueden verse a los fagos M13 embebidos en una matriz de hidrogel. El recuadro blanco amplía una parte de un fago modificado. La proteína P8 de la cápside proteica del fago M13 (amarillo) tiene dispuestas en su superficie las moléculas del pigmento porfirina (en rosa) y los complejos de óxido de iridio que catalizarán la fotolisis (esferas marrones). La luz es absorbida por el pigmento y la energía transferida al centro catalizador donde se romperá la molécula de agua, generando oxígeno y protones.

(origen de la imagen: http://web.mit.edu/newsoffice/2010/belcher-water-0412.html).