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Durante muchos años, el hidrógeno renovable se ha perfilado en el horizonte como el vector energético limpio por excelencia. Utilizar la electricidad para separar el hidrógeno del agua nos permitiría capturar la energía producida intermitentemente por energías renovables como la solar y la eólica, permitiendo almacenarla y transportarla fácilmente. Así se reduciría la dependencia mundial del carbón, el petróleo y el gas, a la vez que se afrontaría el reto del calentamiento global.
¿Cómo conseguir una producción de hidrógeno a gran escala respetuosa con el medio ambiente y económicamente viable? Responder a esta pregunta es esencial para alcanzar el objetivo de la Unión Europea de una economía sostenible y climáticamente neutra.
En la Universidad de Uppsala (Suecia), el coordinador del proyecto CaBiS, Gustav Berggren, trabaja en una solución innovadora: sustituir los metales raros necesarios para los catalizadores utilizados en la electrólisis, como el platino y el iridio, por un método alternativo que combina los procesos biológicos naturales con la química sintética.
El núcleo de este método son las metaloenzimas semisintéticas, que reproducen la acción por la que se produce hidrógeno en las células vivas. Este campo se ha visto impulsado recientemente por el Premio Nobel de Química 2018 concedido a Frances Arnold, por su trabajo utilizando la evolución dirigida para diseñar enzimas.
«Empleamos herramientas de química sintética para simplificar la preparación de la enzima, pero también para generar versiones modificadas de esta enzima, que denominamos “mutantes organometálicos”», explica Berggren. La metodología contrasta con otros intentos que suelen implicar la creación de enzimas de procesamiento de hidrógeno a partir de cero.
El equipo de Berggren consiguió incorporar metaloenzimas artificiales funcionales en el citoplasma de bacterias, un raro ejemplo de enzimas artificiales que funcionan dentro de células vivas. Los avances han acelerado el ritmo de la investigación y abren nuevas vías para la exploración de sistemas fotobiológicos de producción de hidrógeno. Berggren señala: «Podemos hacerlo a un ritmo muy acelerado en comparación con los métodos biológicos clásicos». Dicha capacidad no solo ha mejorado su comprensión del metabolismo del hidrógeno, sino que también ha contribuido al descubrimiento de nuevas hidrogenasas en diversos organismos.
Aplicaciones pioneras y perspectivas de futuro
Los resultados abren la puerta a la producción fotobiológica de hidrógeno, el uso de bacterias fotosintéticas para optimizar la producción de hidrógeno a partir de la luz solar. «Estamos usando esta potente herramienta para optimizar la eficiencia de la producción de hidrógeno a partir de células que contienen hidrogenasas, centrándonos en la optimización del propio catalizador enzimático, así como en su integración en el flujo de electrones celular», afirma Berggren.
Sin embargo, las implicaciones del trabajo van más allá del combustible renovable. Los avances del equipo en la tecnología de la hidrogenasa tienen potenciales aplicaciones en diversos campos, incluidas las ciencias médicas.
Las metodologías desarrolladas en CaBiS se están aplicando ahora al estudio del metabolismo del hidrógeno en el intestino humano. Berggren destaca el posible impacto: «Se espera que una mejor comprensión del metabolismo de los gases en este contexto tenga un impacto significativo en las ciencias de la vida y potencialmente permita el diseño de nuevos fármacos y tratamientos médicos».
A pesar de estos prometedores avances, Berggren reconoce que traducir estos avances en aplicaciones prácticas requerirá más investigación y optimización. «Para que estas tecnologías despeguen, también debemos optimizar el diseño de los biorreactores para lograr una alta seguridad y una captación eficaz de la luz, así como una recolección y un procesamiento posteriores eficientes del hidrógeno gaseoso que se produce», añade.
El equipo proyecto CaBiS, financiado por el Consejo Europeo de Investigación, sin duda representa un importante paso adelante en la búsqueda de la producción sostenible de hidrógeno. Al combinar la química sintética más avanzada con sistemas biológicos naturales, Berggren y su equipo han creado una potente plataforma para futuras innovaciones, que siguen perfeccionando a día de hoy.