N.68 – Propiedades energéticas de las algas

Esta reseña comprende dos (2) artículos relativos a hallazgos experimentales básicos que podrían contribuir a un aprovechamiento de las propiedades energéticas de las algas a través de la fotosíntesis. El primero (1) se refiere a un hallazgo que podría conducir hacia un aprovechamiento colectivo en la producción de energía eléctrica, mientras que el segundo (2) trata sobre una posible aplicación individual para la provisión de oxígeno en escenarios de hipoxia.

1.- Primer artículo: Propiedades energéticas de las algas: Hallazgos con potencial aprovechamiento colectivo en gran escala (1.1.) (1.2.)

La variedad de algas que cubren las superficies acuáticas podría ser la clave para impulsar la eficiencia de la fotosíntesis artificial, permitiendo producir más energía y menos desechos en el proceso. La fotosíntesis es el proceso que utilizan las plantas, las algas y ciertas bacterias para convertir la energía de la luz solar en energía química. La fotosíntesis artificial puede ser una forma sostenible de generar electricidad que no dependa de fuentes no renovables (como combustibles fósiles o gas natural), sin afectar el medio ambiente de manera negativa. Dado que la tasa de conversión de la energía natural de la luz solar en electricidad es baja, la fotosíntesis artificial sólo sería comercialmente viable si se incrementa la electricidad producida.

El estudio aquí reseñado, realizado por investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU, Singapur) mostró cómo la inclusión de proteínas de algas en microgotas puede mejorar sustancialmente (hasta tres veces) las propiedades de conversión de energía y recolección de luz de las algas. En el estudio se analizó un tipo particular de proteína que se encuentra en las algas rojas –las ficobiliproteínas- que recolectan energía lumínica de todo el rango espectral de longitudes de onda de luz (incluidas aquellas que las clorofilas absorben mal), y la convierten en electricidad. Debido a las crecientes demandas de tecnologías respetuosas del medio ambiente, las ficobiliproteínas atraen un interés sustancial en la bioenergía y los dispositivos sostenibles.

Con la finalidad de aumentar la cantidad de energía que pueden generar las algas, el equipo de investigación desarrolló un método para encerrar las algas rojas dentro de microgotas de cristal líquido que tienen un tamaño de 20 a 40 micrones y las expuso a la luz. Cuando la luz incide en la gota, se produce un efecto conocido como “eco de galería” (“whispering-gallery mode”), por el cual los fotones luz transitan alrededor de los bordes curvos de la gota y la luz queda “confinada” dentro de la gota durante un tiempo más prolongado. La mayor exposición de las algas a la luz potencia la fotosíntesis y, por lo tanto, genera mayor energía en forma de electrones libres que pueden capturarse –mediante electrodos- como corriente eléctrica. La mayoría de las células solares basadas en algas producen una potencia eléctrica de 20-30 microvatios por centímetro cuadrado (µW / cm2). La exposición prolongada mediante microgotas puede aumentar ese nivel de generación de energía (bio-fotoeléctrica) en al menos dos o tres veces.

La investigación del equipo podría conducir hacia una nueva forma sostenible de generar electricidad a partir de la luz solar que no dependa de combustibles fósiles. La nueva tecnología bioinspirada, basada en ficobiliproteínas, podría usarse para producir células solares más eficientes y allanar el camino para una mayor eficiencia dentro de la fotosíntesis artificial. Se prevé la posibilidad de futuras “granjas de algas”, donde las algas densamente crecientes en cuerpos de agua podrían eventualmente constituirse en generadores flotantes.de energía. Los hallazgos muestran que hay una manera de convertir en bio-energía lo que podría verse como ‘bio-basura’.

2.- Segundo artículo: Rescatan la actividad neuronal en un ambiente hipóxico extremo mediante la inyección de microorganismos fotosintéticos en el cerebro (2.1.) (2.2.) (2.3.)

El oxígeno (O₂) es fundamental en la producción de energía necesaria para los procesos metabólicos, así como para la diferenciación y el crecimiento de células y tejidos. En los vertebrados el O₂ se recoge fundamentalmente a través de la respiración y llega a todas las regiones del cuerpo a través del sistema vascular. El cerebro, en particular, requiere un aporte considerable y constante de O₂ para disponer de energía para ejecutar sus funciones; por ejemplo, el procesamiento sensorial-motor y las funciones cognitivas.

Si bien la oxigenación del cerebro de los vertebrados se ha optimizado durante la evolución, ciertas condiciones ecofisiológicas específicas, como el buceo en aguas profundas o el vuelo a grandes alturas, desafían al suministro adecuado de O₂ a los tejidos. Además, las condiciones hipóxicas patológicamente anormales debido a accidentes cerebrovasculares, o cuando se compromete la extracción de O₂ del medio ambiente, pueden deteriorar grave e irreversiblemente la función cerebral.

La estricta dependencia de los animales del O₂ ambiental contrasta con las plantas verdes, que pueden autoproducir O₂ a través de la fotosíntesis. Siempre que los microorganismos fotosintéticos, como las algas y las cianobacterias, puedan insertarse y distribuirse por todo el tejido, su capacidad de producción de O₂ podría complementar directamente las necesidades de los animales. De hecho, se reportan interacciones simbióticas naturales entre dichos microorganismos y ciertos animales como esponjas, corales, anémonas y ciertas especies de salamandras.

Las microalgas se han empleado ocasionalmente en la ciencia biomédica como fuente eficiente de O₂, principalmente para suplantar la ausencia de perfusión sanguínea de tejido aislado. Esto culminó en un cocultivo de tejido de la microalga Chlamydomonas reinhardtii y fibroblastos para facilitar la curación de heridas en ratones a través de la producción fotosintética de O₂.

En el artículo aquí reseñado se describe la exploración de un concepto innovador de reposición de O₂ fotosintético en el cerebro de renacuajos de Xenopus laevis. Tras la inyección transcardial de microalgas verdes o cianobacterias y su distribución vascular, la iluminación del cerebro desencadenó una producción robusta y constante de oxígeno. Además, en un ambiente hipóxico grave generado artificialmente, que abolió por completo la actividad neuronal, el O₂ producido por los microorganismos e inducido por la luz provocó un reinicio de la descarga del pico neuronal y, por lo tanto, rescató la actividad cerebral.

Estos experimentos de prueba de principio muestran claramente la posibilidad de utilizar microorganismos fototróficos productores de O₂ dentro del cerebro de un vertebrado para proporcionar directamente O₂ al cerebro y sus células. En el futuro, los microorganismos fototróficos podrían proporcionar un recurso novedoso para aumentar los niveles de O₂ en el tejido de una manera controlada -temporal y espacialmente- en condiciones ecofisiológicas particulares o después de deficiencias patológicas.