Convertir el dióxido de carbono en importantes materiales de partida para la química fina - realmente funciona: un equipo de investigación del Fraunhofer IGB ha logrado por primera vez en el proyecto de cooperación Max Planck eBioCO2nfijarCO2 en una cascada enzimática basada en la transferencia de electrones y convertirlo en un material de partida sólido para la industria química. El proceso defijación electrobiocatalítica del CO2 ya se ha publicado y se considera un "hot paper".
La quema de combustibles fósiles produce dióxido de carbono perjudicial para el clima, que desempeña un papel fundamental en el calentamiento global como gas de efecto invernadero. Sin embargo, el petróleo crudo sigue siendo una de las materias primas más importantes, no sólo como fuente de energía, sino también como materia prima para la industria química y, por tanto, para numerosos artículos de uso cotidiano como medicamentos, envases, textiles, productos de limpieza y otros. Por ello, se están investigando intensamente diversas alternativas a las fuentes fósiles.
Las materias primas renovables son una opción prometedora para el futuro, pero no la única base de materias primas alternativas para cubrir la disponibilidad de productos de síntesis ecológicos en los próximos años. Un complemento sostenible en el sentido de una economía del carbono orientada al ciclo es la posibilidad de fijarel CO2 de forma selectiva y en condiciones de reacción suaves.
Captura del aire para reducir las emisiones de CO2
Un equipo de investigadores del Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología (IGB) de Straubing, junto con colegas del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre de Marburgo y de la Universidad Técnica de Múnich, ha logrado por primera vez convertir electrobiocatalíticamente CO2 en sustancias valiosas para la industria química. Combinando diversos enfoques de la bioelectroquímica, la biología enzimática y la biología sintética, se han desarrollado bioelectrodos especiales para impulsar enzimas con electricidad procedente de energías renovables, que producen moléculas orgánicas sólidas a partir del gas de efecto invernadero en una reacción acoplada similar a la fotosíntesis.
El objetivo es capturarCO2 directamente del aire: "El proceso podría entonces no sólo ayudar a la industria a prescindir de materias primas fósiles, sino también promover activamente el cambio climático mediante la reducción de CO2", explica el Dr. Michael Richter, Jefe del Campo de Innovación de Química Bioinspirada en Fraunhofer IGB. "En primer lugar, sin embargo, queríamos demostrar que nuestra idea de utilizar la electricidad para impulsar de este modo una reacción multienzimática biocatalítica tan compleja funciona realmente".
El hidrogel transporta electrones para las enzimasfijadoras de CO2
Con éxito: los investigadores se inspiraron en el metabolismo de los microorganismos y desarrollaron un proceso basado en la electricidad para lafijación del CO2. Los principales protagonistas son las enzimasfijadoras de CO2, desarrolladas por sus colegas el Dr. David Adam y el Prof. Tobias Erb, Director del MPI de Marburgo. Uno de los retos era suministrar continuamente a las enzimasfijadoras de CO2 los electrones necesarios para la reducción delCO2, que pueden obtenerse mediante electricidad renovable. Esto se consiguió incrustando las enzimas en un hidrogel redox-activo, lo que les permite ser impulsadas electroquímicamente de tal manera que unen el dióxido de carbono a un sustrato y lo convierten así en un valioso producto intermedio. "El proceso es una vía de reacción muy eficiente, una carboxilación reductora muy económica y limpia porque no se necesita ninguna otra sustancia en el sistema: sólo dióxido de carbono, sustrato y electrones, preferiblemente de fuentes renovables", explica el Dr. Leonardo Castañeda-Losada, que investigó en el campo de la electrobiocatálisis en su tesis doctoral y ahora trabaja en el proyecto en Fraunhofer IGB junto con la Dra. Melanie Iwanow y el Dr. Steffen Roth.
Los hidrogeles en los que trabajan las enzimas, desarrollados especialmente en la Universidad Técnica de Múnich bajo la dirección del profesor Nicolas Plumeré, están modificados de tal manera que conducen bien los electrones y, al mismo tiempo, ofrecen a las biomoléculas unas condiciones de trabajo óptimas. "Esto significa que no sólo podemos utilizar monocapas de enzimas, sino también ampliar esto tridimensionalmente muchas veces, ya que los electrones se canalizan a cualquier lugar del gel. Se trata de buenas condiciones para ampliar el proceso a la industria química en el futuro", explica el profesor Volker Sieber, que lleva tiempo estudiando estrategias para elalmacenamiento de CO2 en la rama Straubing del Fraunhofer IGB.
Los cofactores se regeneran permanentemente al mismo tiempo
Sin embargo, el enfoque completamente nuevo de los investigadores no sólo se basa en el hecho de que una secuencia de reacción enzimática puede ser impulsada con éxito por la electricidad, sino que también incluye otro módulo extremadamente innovador: Para que las reacciones se desarrollen como se desea y el rendimiento del producto sea lo más alto posible al final, se requiere en este caso un suministro continuo de "dopaje" para la enzima: los cofactores adecuados y funcionales. Estas pequeñas moléculas orgánicas se consumen en el curso de cada reacción y deben regenerarse para que puedan volver a utilizarse. Suministrarlas en grandes cantidades resulta muy caro y, por tanto, antieconómico para la industria. Por eso, los expertosde eBioCO2nhan encontrado una forma de utilizar la electricidad para renovarlos dentro del mismo sistema de reacción en los hidrogeles, teóricamente durante un periodo de tiempo infinito. "En realidad, sólo habría que añadir cofactor al sistema una vez y éste se regeneraría automáticamente una y otra vez. Pero en la práctica, esto sólo funciona de forma aproximada porque el cofactor no permanece estable indefinidamente, pero sí durante mucho tiempo", afirma Richter.
Para el proceso de reciclado bioelectrocatalítico de los cofactores, los investigadores disponen incluso de todo un conjunto de enzimas diferentes que han localizado en diversos organismos. Esto significa que el espectro de estas biomoléculas puede ampliarse modularmente para seguir trabajando en función de la aplicación y puede utilizarse como sistema de plataforma. "Se puede seleccionar prácticamente cualquier enzima de las bases de datos bioinformáticas, producirla biotecnológicamente e incorporarla a los hidrogeles", afirma Richter. "Esto haría concebible la producción de diversas sustancias químicas finas de base biológica, que podrían diversificarse mediante otras cascadas enzimáticas prácticamente según las necesidades si se ampliaran en consecuencia". Aquí es donde el MPI de Marburgo aporta su experiencia. Si se consigue ampliar con éxito, la tecnología de plataforma podría convertirse en un prometedor modelo de negocio para la industria química.
Sistema de plataforma ampliable y escalable según las necesidades
Con ayuda de lafijación de CO2 bioinspirada en el laboratorio, el Fraunhofer IGB consiguió carboxilar un derivado de la coenzima A, una biomolécula importante para muchos procesos metabólicos de los organismos vivos. "Se trata de la molécula más difícil hasta la fecha a la que se ha podido fijarCO2 por medios biocatalíticos", afirma Richter. "Modificar una sustancia tan grande y estructuralmente compleja mediante esta tecnología dista mucho de ser una obviedad". Los investigadores se enfrentan ahora al último reto: demostrar que su idea funciona de forma fiable y escalable y que puede ampliarse modularmente. Sin embargo, el IGB se muestra optimista, especialmente en el contexto de un equipo interdisciplinario que funciona bien, como subraya el científico. En los proyectos de seguimiento, los socios industriales participarán lo antes posible.
