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La producción de hidrógeno es algo natural para un microbio marino. Una cianobacteria que emite hidrógeno como subproducto de sus procesos cotidianos.

Un microbio marino sin aparente importancia resulta ser un organismo multiatereado, no sólo pueden realizar la fotosíntesis, pero también puede producir grandes cantidades de hidrógeno; con ello se abre una manera potencial de fabricar este gas como combustible de forma barata.

Himadri Pakrasi de la Universidad de Washington en St Louis, Missouri, y sus colegas, informaron en la revista Nature Communications, que la cianobacteria unicelular, Cyanothece 51142, puede producir hidrógeno del aire, Hasta ahora, los únicos organismos conocidos que producían hidrógeno sólo se podían hacerlo en un ambiente libre de oxígeno, por lo que resultaba un proceso caro a gran escala.

La cyanothece 51142 fue descubierta en 1993, frente a la costa de Texas, por Louis Sherman de la Universidad de Purdue en West Lafayette, Indiana, co-autor del estudio. Pakrasi, más tarde, descubrió que la bacteria tiene un ciclo diario de dos etapas. Durante el día se somete a la fotosíntesis, utilizando la luz solar y el dióxido de carbono para producir oxígeno y cadenas ramificadas de moléculas de glucosa, el glucógeno. Cuando se pone el sol, la enzima nitrogenasa del microbio entra en acción, y usa la energía almacenada en el glucógeno para fijar el nitrógeno del aire en amoníaco. De este proceso se forma como subproducto el hidrógeno.

Estos dos mecanismos difieren en que la fotosíntesis es un proceso aeróbico —que requiere de oxígeno—, mientras que la fijación del nitrógeno, y consecuentemente, la producción de hidrógeno, sólo puede tener lugar de forma anaeróbica, ya que el contacto con el oxígeno destruye la enzima nitrogenasa. Sin embargo, la Cyanothece 51142 se las arregla para fijar el nitrógeno, incluso en presencia del oxígeno de la atmósfera al quemar oxígeno celular para producir energía. Debido a que no está realizando la fotosíntesis, la bacteria consume el oxígeno celular, así que la enzima nitrogenasa resulta eficaz en un entorno en gran medida libre de oxígeno.

Reacciones rítmicas

La cyanothece 51142 tiene un ritmo circadiano natural que le permite ser "entrenada" para producir más hidrógeno.

Después de un único ciclo de 12 horas día y 12 horas de la noche, Pakrasi y su equipo, mantuvieron las luces encendidas durante 48 horas seguidas. Durante este tiempo, los microbios continuaron con la fijación de nitrógeno de su 'noche', y la producción de hidrógeno que harían normalmente en este período, pero generando más combustible para el proceso de fotosíntesis. Los investigadores hallaron que, en estas condiciones, los microbios ajustaban su capacidad fotosintética para maximizar la fijación de nitrógeno.

La cantidad de hidrógeno producida de esta manera, 150 micro moles por miligramo de clorofila por hora, es la mayor cantidad jamás registrada por cianobacterias naturales en condiciones atmosféricas normales, dijo Pakrasi. Si las bacterias se comportaran de la misma forma en un litro de medio de cultivo, como lo hicieron con los 25 ml. de cultivo utilizados en el experimento, se conseguirían algo más de 900 ml. de hidrógeno en 48 horas, el tiempo que duró el experimento.

Alta tasas naturales

"Este es el sistema más eficaz publicado hasta ahora para la producción de hidrógeno", señaló Oliver Lenz, de la Universidad Humboldt en Berlín, que trabaja en la enzima hidrogenasa. En su trabajo, Lenz injertaba hidrogenasa directamente en el fotosistema I, una proteína necesaria para la fotosíntesis. Naturalmente, las bacterias no pueden competir con estos sistemas, con unas tasas de producción de hidrógeno en el sistema de Lenz, de 3.000 micro moles de hidrógeno por miligramo de clorofila por hora, pero el sistema se quedó sin probar en un entorno natural, y esa es la ventaja del descubrimiento de Pakrasi. "Nunca esperé tasas tan altas en un organismo natural", añadió Lenz. El enfoque sintético, como el Lenz, adelecen de una corta duración, agregó Pakrasi, a menudo se agotan en cuestión de horas, mientras que las cianobacterias "pueden seguir durante días."

Otros organismos, como el alga Chlamydomonas reinhardtii, también produce hidrógeno a ratios similares, añade Olaf Kruse, de la Universidad de Bielefeld en Alemania, que trabaja con estas especies. Pero estos otros microbios necesitan estrictas condiciones anaeróbicas a trabajar. Por eso Kruse está muy interesado en ver como Pakrasi amplía sus experimentos, para comprobar como se comporta la Cyanothece 51.142 cuando se cultiva en grandes volúmenes. Pakrasi dice que su equipo está a punto de comenzar un trabajo así, y ya ha pasado de 25 ml. de cultivo a 200 ml. con resultados similares. Por el momento, la Cyanothece 51142 tiene pequeñas cantidades de una hidrogenasa que se come parte del hidrógeno que se produce. Para mejorar el trabajo de la Cyanothece 51142, Lenz sugiere una modificación genética de la bacteria, que contiene una enzima hidrogenasa más eficiente, y así perder menos hidrógeno.

Esta investigación muestra lo que una cianobacteria no modificada es capaz de hacer, apunta Pakrasi. Hay por lo menos 10 otras cepas de Cyanothece, y Pakrasi espera que trabajen de manera similar. "Podemos, y debemos, aumentar esa tasa realizando modificaciones genéticas en el sistema." 

  • - Referencia: Nature.com, 14 de diciembre 2010, por Katharine Sanderson
  • - Ref. original: Bandyopadhyay, A. , Stöckel, J. , Min, H. , Sherman, LA & Pakrasi, HB Nature Commun. doi:10.1039/ncomms1139 (2010).
  • - imagen: La cianobacteria Cyanothece 51.142 produce hidrógeno del aire. Crédito: Pakrasi Lab
  • - Caracterización de la cyanothece 51142 (2006)  .

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