Una revolución en la captura de dióxido de carbono: la solución enzimática microbiana

Al aislar una enzima microbiana y unirla a un electrodo, los investigadores lograron una conversión unidireccional eficiente de dióxido de carbono en formiato, descubriendo así una nueva forma de… Captura de dióxido de carbono

Científicos de Instituto Max Planck de Microbiología Marina Investigadores de las Universidades de Ginebra y Radboud descubrieron una enzima altamente eficiente en algunos microbios que puede capturar y convertir dióxido de carbono (CO2) en formiato cuando se coloca sobre un electrodo.

El avance podría inspirar nuevas formas de combatir las emisiones de dióxido de carbono y se publicó en la revista Angewandte Chemie.

Los microorganismos son muy eficientes para capturar dióxido de carbono.

Algunas enzimas capturan de forma única el dióxido de carbono convirtiéndolo en formatoEs un compuesto estable y seguro para almacenar energía o fabricar diversas moléculas industriales o farmacéuticas.

Las investigadoras Julia Kurth y Cornelia Felt estudiaron en la Universidad de Radboud Mithramycox chinglensis, un microbio encontrado en un campo petrolífero que prospera a una temperatura de 50 grados centígrados. En el Instituto Max Planck de Microbiología Marina, Olivier Lemire, Melissa Belhamri y Tristan Wagner examinaron este microbio para identificar la enzima que captura el dióxido de carbono y medir su velocidad y eficiencia en la conversión del dióxido de carbono.

Una enzima de conversión de dióxido de carbono con gran potencial

Los científicos de Max Planck se embarcaron en la difícil tarea de aislar la enzima microbiana. «Como sabíamos que estas enzimas son sensibles al oxígeno, tuvimos que trabajar dentro de una tienda anaeróbica sin aire ambiente para separarlas de otras proteínas; fue muy complejo, pero lo logramos», dice Olivier Lemire.

Después del aislamiento, los científicos examinaron las propiedades de la enzima. Demostraron su conversión eficiente de dióxido de carbono en formiato, pero descubrieron que realizaba la reacción inversa a un ritmo mucho más lento con menor rendimiento.

«Se sabe que enzimas similares pertenecientes a la familia de la formiato deshidrogenasa funcionan en ambas direcciones, pero hemos demostrado que la enzima de Methermicoccus shengliensis es casi unidireccional y no puede convertir el formiato nuevamente en dióxido de carbono de manera eficiente», dice Melissa Belhamri.

Y añade: «Estábamos muy entusiasmados con este fenómeno, que sólo se produce en ausencia de oxígeno». «Dado que el formiato generado a partir de la fijación del dióxido de carbono no se puede volver a convertir y, por lo tanto, se acumula, un sistema de este tipo sería un candidato muy interesante para capturar dióxido de carbono, especialmente si podemos ramificarlo en un electrodo».

Tristan Wagner destaca una ventaja importante, y es que cuando la enzima se conecta a un electrodo, la energía necesaria para capturar el dióxido de carbono es suministrada directamente por el electrodo, eliminando la pérdida de corriente eléctrica y la necesidad de mediadores químicos costosos o peligrosos.

Como resultado, los electrodos que contienen enzimas son eficientes y atractivos para los procesos de conversión de gases. Como resultado, la enzima purificada se envió a la Universidad de Ginebra para crear un sistema de captura de CO2 basado en electrodos.

Conversión de gas mediante electricidad.

Salihan Sahin y Ross Melton de la Universidad de Ginebra se especializan en electroquímica, donde utilizan electrodos conectados eléctricamente para catalizar reacciones químicas. Normalmente, la generación de formiato a partir de dióxido de carbono mediante electrodos implica la contaminación de metales raros.

Intentaron reemplazar estos metales con una enzima extraída por el equipo de Tristan Wagner en el MPIMM. Si bien el proceso de unión de la enzima al electrodo no siempre es muy eficiente, la enzima del grupo Wagner tiene características específicas que la hacen más adecuada. Los científicos suizos lograron unir la enzima a un electrodo de grafito, donde convirtió eficientemente el gas.

Las tasas de conversión fueron similares a las logradas usando la formiato deshidrogenasa convencional.

«El poder de este sistema biológico acoplado al electrodo radica en su eficiencia para transferir electrones de la electricidad a la conversión de dióxido de carbono».

Shaheen y Milton también descubrieron que el sistema no funciona bien en la reacción inversa, como se ve en el tubo de reacción. Como resultado, el electrodo modificado convirtió continuamente los gases de efecto invernadero en formiato sin productos secundarios perceptibles ni pérdida de corriente eléctrica.

Avanzando hacia un nuevo enfoque para beneficiarse del dióxido de carbono en la atmósfera

Este esfuerzo de colaboración proporciona una herramienta valiosa a la comunidad científica: una enzima que convierte eficientemente el dióxido de carbono utilizando electricidad. El uso de fuentes de energía renovables, como la eólica o la solar, para alimentar el sistema basado en electrodos puede convertir el dióxido de carbono en formiato, una molécula adecuada para diversas aplicaciones o almacenamiento de energía.

«Antes de nosotros nadie había intentado estudiar una enzima de este metanógeno para la conversión de gas mediante electrodos», afirma Tristan Wagner. «Sin embargo, los metanógenos son excelentes convertidores de gas natural».

Las enzimas tienen un gran potencial para procesos a gran escala, pero la creación de estos sistemas de producción representa una inversión importante. Por lo tanto, aunque esta estrategia puede mejorar significativamente la conversión de CO2, es necesario comprender completamente el mecanismo de la enzima antes de aplicarla. El equipo de investigación profundizará ahora en los detalles moleculares de la interacción.