Com la fotosíntesi artificial pot ajudar en la colonització de l'espai

L'exploració espacial ha posat el focus sobre la fotosíntesi artificial. És fàcil entendre per què: mantindre la vida en l'espai depén de fonts d'oxigen, aigua i energia, i este mil·lenari procés podria resoldre els reptes. Les investigacions realitzades durant dècades per a desentranyar les claus que fan altament eficient a la fotosíntesi natural han inspirat tecnologies artificials i semiartificiales in vitro. Una d'elles, descoberta fa cinquanta-cinc anys, ha inspirat materials i tecnologies centrats en la producció d'oxigen molecular i hidrogen. Es tracta de la fotolisis de l'aigua, és a dir, de l'oxidació de l'aigua per la llum solar.

La fotosíntesi va sorgir fa entre 3 400 i 2 900 milions d'anys. Posteriorment, la ràpida diversificació dels cianobacteris, juntament amb processos d'endosimbiosis, la van estendre espectacularment. La fotosíntesi oxigénica és la principal font d'oxigen en l'atmosfera i de biomassa, però l'oxigen alliberat al medi ambient és només un subproducte de les seues etapes inicials. Este s'allibera a partir de l'oxidació de l'aigua induïda per la llum, una reacció que té lloc en la membrana dels tilacoides, característica dels cianobacteris, diatomees i plantes. Una espècie de sacs que en les plantes formen part dels cloroplasts, els orgànuls de la cèl·lula vegetal responsables de la fotosíntesi.

En 1969, Pierre Joliot va trobar que l'oxigen alliberat durant les primeres etapes de la fotosíntesi es produïx després d'un període de quatre flaixos de llum en el lumen de la membrana de tilacoide. Un any més tard, Bessel Kok (1970) va desxifrar el mecanisme i va donar una explicació per a este succés: l'oxigen s'allibera després d'un cicle de quatre passos activats per la llum, com els passos dels quatre quarts d'un rellotge. En cadascun d'estos quatre passos es generen espècies químiques amb propietats oxidants. Kok les va denominar “estats S”.

Hui coneixem este mecanisme com model Kok-Joliot. La troballa va ser una important fita, va refutar la idea inicial que l'oxigen procedia del diòxid de carboni en els organismes verds. El model de Kok-Joliot va ser un canvi de paradigma crucial per a comprendre el mecanisme d'oxidació biològica de l'aigua que produïx oxigen molecular i equivalents d'hidrogen, que podrien donar lloc a la producció d'hidrogen.

Va caldre esperar fins a 2006 per a conéixer la naturalesa dels “estats S” del model de Kok-Joliot. Hui sabem que estan associats als estats d'oxidació del manganés (Mn), un metall component del complex de manganés i calci lligat al tilacoide –en el fotosistema II– on té lloc este procés fotosintètic.

El complex de manganés i calci funciona com un catalitzador: activa el trencament (oxidació) de les molècules d'aigua. La seua estructura tridimensional es va resoldre mitjançant cristal·lografia de raigs X en 2011. En 2022, gràcies al desenrotllament de tècniques espectroscòpiques de raigs X avançades, vam conéixer la composició i l'estructura a nivell atòmic dels quatre “estats S” (Sota, S1, S2, S3, S4).

El mecanisme de la reacció que llibretera oxigen en la fotosíntesi ha sigut resolt.

La carrera per la fotosíntesi artificial

Mentres succeïen estos avanços, la qual cosa havia sigut un tema d'interés només per a bioquímicos i biofísics va passar a tindre'l per a altres disciplines per les seues aplicacions. Les troballes van impulsar una carrera per a la creació de dispositius fotosintètics artificials que intenten imitar els components i els processos que tenen lloc en els tilacoides de les cèl·lules dels organismes verds.

Durant cinc dècades s'ha debatut este tema i s'han desenrotllat sistemes multicomponents i catalitzadors bioinspirados. Els primers estudis es van centrar principalment en el desenrotllament de sistemes combinats de fotosensibilizadores i catalitzadors en dissolució. S'han investigat complexos de metaloporfirinas i dendrímeros metàl·lics com fotosensibilizadores, catalitzadors basats en complexos metàl·lics i mediadors d'electrons basats en complexos de cobalt o coure.

També s'ha estudiat l'ús d'anions persulfato com a acceptors d'electrons i s'han investigat tant sistemes no agregats com autoacoblats. En l'última dècada han sorgit altres estratègies com l'ús d'hidrogels en lloc de solució aquosa i solvent per a imitar l'estructura interna dels cloroplasts vegetals, que colocalizan els components moleculars per a l'oxidació de l'aigua en les plantes. Per a això, s'han proposat catalitzadors a base de níquel i altres complexos organometàl·lics. S'estan dissenyant equips i dispositius amb components millorats, i es comprova la seua estabilitat i eficàcia en diferents condicions de temperatura, pressió i gravetat.

Podem desenrotllar una tecnologia espacial que produïsca oxigen?

La falta d'oxigen i les limitacions de combustible en l'espai limiten la duració de les missions a llarg termini i la futura presència humana permanent en la Lluna i Mart. Actualment, estes limitacions estan promovent una apassionant competició per desenrotllar tecnologia espacial per a la producció d'oxigen i el subministrament segur de combustible en l'espai.

En este sentit, s'estan proposant dispositius basats en la fotosíntesi artificial com a solució. Encara que existixen tecnologies per a produir oxigen –l'electròlisi és la reacció química més utilitzada per a produir oxigen a partir de l'aigua– requerixen electricitat com a font d'energia. Per contra, els sistemes bioinspirados eficients basats en la fotosíntesi natural no requerixen una font d'electricitat: esta tecnologia prescindix d'ella.

S'estan dissenyant i investigant dispositius alternatius que produïxen oxigen i hidrogen a partir d'aigua i llum utilitzant materials semiconductors recoberts de catalitzadors metàl·lics. Amb ells i l'ús de la radiació solar, els astronautes podrien respirar oxigen sense limitacions en les missions espacials i no hi hauria necessitat de reproveïment des de la Terra.

Les investigacions de l'Agència Espacial Europea (EIXA) suggerixen que, donades les condicions de la Lluna, esta estratègia podria funcionar. També fins i tot en Mart, on la llum solar és menys intensa. En condicions limitants de llum, estos dispositius podrien funcionar utilitzant #espill solars per a concentrar la llum solar rebuda. S'argumenta que la fotosíntesi artificial podria funcionar a temperatura ambient i a les pressions trobades en la Lluna i Mart, i les diferents condicions de gravetat no serien una limitació. Així, este tipus de tecnologia podria tindre avantatges en estos hàbitats utilitzant l'aigua com a principal recurs.

En la Lluna s'ha detectat la presència generalitzada d'aigua gelada, la qual cosa suposaria un valuós recurs per a produir oxigen i hidrogen i donar suport vital i energètic als astronautes visitants.

És apassionant, per tant, comprovar com dos línies d'investigació no connectades en principi entre si, la biològica i la tecnològica, acaben confluint en un objectiu comú: comptar amb la possibilitat de subministrament estable d'oxigen i combustible en la Lluna a partir de l'aigua trobada allí.

Inmaculada Yruela Guerrero, Investigadora Científica CSIC, Estació Experimental d'Aula Dei (EEAD - CSIC)

Este article va ser publicat originalment en The Conversation. Crónica CT