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La capacidad máxima de las algas de investigación como fuente de energía renovable eficiente

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Las algas verde-azules pueden parecer desagradables en la naturaleza, estableciendo en la superficie de pantanos y otras aguas de superficie. Pero podría ser uno de los catalizadores para desarrollar el bioeconomy del siglo XXI, incluyendo las fuentes de energía renovable que aprovisionan de combustible el futuro.

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Las algas, también conocidas como cyanobacteria, fotosíntesis del uso para convertir energía ligera del sol en la energía química necesaria para el crecimiento y la función. Los científicos en la universidad de estado de Michigan (MSU) están aprendiendo más sobre el proceso fotosintético de estos organismos abundantes — con un ojo en eficacia.

Cheryl Kerfeld, John A. Hannah Distinguished Professor de la bioingeniería estructural y un científico de AgBioResearch, y su equipo de investigadores han estado estudiando un proceso por el cual cyanobacteria protegerse contra demasiada luz.

“Sin un mecanismo molecular ocuparse de exceso de energía ligera, el cyanobacteria, esencialmente, fría,” Kerfeld dice. “Tienen que tener una manera de admitir solamente la energía que necesitan sin sobrecargar sus sistemas.”

El Cyanobacteria tiene antenas que se utilicen para capturar energía ligera. Una proteína en el cyanobacteria, conocido como la proteína anaranjada del carotenoide (OCP), cambios de la naranja a un color rojizo protector cuando un pigmento del carotenoide atado a la proteína detecta demasiado ligero. En este estado activado, los enchufes de la proteína en las antenas del cyanobacteria, ayudando al organismo para disipar exceso de energía ligera como calor. La estructura molecular del estado activado y la causa del cambio del color de la proteína eran previamente desconocidas.

Un papel publicado en la ciencia, escrita por el grupo de Kerfeld con el autor importante y el asistente de investigación Ryan Leverenz, detalla la estructura de la forma activada del OCP y revela un movimiento inesperado del carotenoide. El equipo de Kerfeld — cuál incluye Leverenz y la co-ventaja Markus Sutter autor, entre otros investigadores de MSU, el laboratorio de Kirilovsky en Francia y científicos de Berkeley National Laboratory — es el primer para ver este comportamiento. Previamente, los carotenoides eran probablemente estáticos y fijados a un andamio de la proteína.

“Ha sabido que los carotenoides tienen funciones photoprotective, pero el OCP es único en ése que el carotenoide también se utiliza como parte de un interruptor que sea dado vuelta por intervalos por la luz,” Leverenz diga. “Ahora que podemos ver la forma cambiada de "ON" de la proteína estructural, que podíamos ver en el laboratorio, estamos aprendiendo más sobre cómo ata a las antenas del cyanobacteria y cómo ayuda a disipar energía después de que ate. Una vez que aprendemos completamente cómo este proceso se realiza en naturaleza, esperamos aplicar los principios para diseñar nuevos sistemas fotosintéticos artificiales.”

Los investigadores han notado que, aunque el cyanobacteria posee este mecanismo único para disipar exceso de energía ligera, no realizan siempre la tarea en la mayoría del modo eficaz. El aprovechamiento de la energía perdida como calor será importante en el desarrollo de sistemas fotosintéticos artificiales como fuente de energía confiable.

“Nuestro grupo pasa algo de nuestro tiempo en California y algo en Michigan. Con la sequía en California, la gente es muy atenta de grifos de goteo y su consumo de agua total,” Kerfeld dice. “En Michigan, hay un montón de agua, así que la gente no piensa en él mucho en absoluto. Es un poco como ése con cyanobacteria. Se utilizan tan a tener tanto sol que no molesten tener cuidados sobre su proceso photoprotective — lo giran y olvidan apagarlo. Queremos ayudar a cyanobacteria para ser más elegante sobre el photoprotection y para no perder tanto de esa energía como calor. Esto es importante para que el cyanobacteria de modificación sea fábricas celulares microbianas.”

El Cyanobacteria también se está probando para la viabilidad como precursor químico para los plásticos, además de los combustibles. Casi todos los precursores en la industria química petróleo-se basan actualmente, así que la continuidad y las consecuencias para el medio ambiente son preocupaciones. El Ministerio de los E.E.U.U. de Energía ha fijado una meta de generar el 25 por ciento de sustancias químicas industriales de procesos biológicos en 2025. La mejora de la eficacia de la fotosíntesis en cyanobacteria puede aumentar las producciones y las preguntas de la dirección que rodean su uso como solución práctica a los desafíos de la energía.

“Hay gran potencial al usar cyanobacteria como manera de entender el proceso complejo de la fotosíntesis,” Kerfeld dice. “Tenemos que entender mejor cómo la fotosíntesis se realiza en naturaleza y cómo ésa traduce a los usos del mundo real, de las perspectivas de la biología, de la física y de la química. Necesitamos tan continuar colaborando como equipos multidisciplinarios para empujar esta investigación adelante. Nuestro equipo es realmente emocionado sobre lo que hemos visto hasta ahora, pero sabemos que hay mucho trabajo todavía que se hará.”

La financiación para el proyecto ha sido proporcionada por la dotación de la posición de Kerfeld, del laboratorio de investigación de la planta de MSU-DOE y de MSU AgBioResearch, la financiación adicional del laboratorio de Kirilovsky en Francia y Berkeley National Laboratory.