Fijación de CO2 por procesos enzimáticos mediante reacciones de carboxilación

Autor: Marcos Pita (Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC)

En pleno siglo XXI se puede dar por aceptada la idea de que es necesario un cambio en la manera de producir y usar energía por parte de la humanidad, además de una descarboxilación activa de la atmósfera para evitar un calentamiento superficial irreversible de consecuencias drásticas para los seres vivos del planeta. Es por ello que muchos científicos están volcados en descubrir y desarrollar tecnologías de energía limpia. Dado que la mayor fuente de energía disponible en la Tierra es aquella procedente del Sol, los procesos fotosintéticos han servido de inspiración para contribuir a la obtención de combustibles cuya huella de carbono sea menor. De esta manera se ha investigado sobre la producción de hidrógeno como combustible a partir de la fotólisis de agua durante décadas, y más recientemente, cuando ya ha resultado innegable la necesidad de reducir las emisiones de CO2, emular la fotosíntesis natural mediante procesos fotoquímicos para la fijación del dióxido de carbono. Han aparecido muchos ejemplos en los que se usan catalizadores inorgánicos para reducir el CO2, lo cual ha desvelado muchas complejidades, dado que en primer lugar la reducción de CO2 compite con la producción de H2 a partir del agua, y en segundo lugar los productos de dicha reducción son muchos y muy variados, dificultando la implementación de estos procesos. Alternativamente se pueden utilizar catalizadores de origen biológico para aprovechar sus características: alta selectividad, alta eficiencia y condiciones de trabajo suaves. Existen multitud de ejemplos en los que se utilizan enzimas combinadas con electrodos y/o semiconductores: hidrogenasas para formar H2 a partir de agua, CO monooxigenasas para formar monóxido de carbono a partir de dióxido de carbono, o utilizar la enzima formato deshidrogenasa para acometer su reacción inversa, la reducción selectiva de CO2 a ácido fórmico.

Una estrategia revolucionaria que combina la biocatálisis enzimática con foto-electroquímica apareció recientemente, donde en lugar de utilizar directamente los electrones fotoexcitados para reducir un compuesto como CO2 o protones, se diseñó un bioelectrodo diferente [Morello, 2019]. En concreto se diseñó un electrodo nanoestructurado con nanopartículas de óxido de estaño dopado con indio (ITO), que forma una retícula sobre un electrodo de titanio. El trabajo presenta dos ventajas sobre los sistemas de reducción directa de CO2. En primer lugar, los recovecos que deja el electrodo sirven para facilitar el nano-confinamiento y la compartimentalización de los biocatalizadores, emulando una de las principales características de las células vivas: un principio clave para asegurar los procesos catalíticos en cascada. De ese modo se acelera y se aumenta la eficacia de los procesos enzimáticos concatenados gracias al aumento de concentración a nivel local, de modo que la distancia de difusión de reactivos y productos sea muy corta. De este modo, cargando un electrodo con nanopartículas de ITO y las enzimas ferredoxin-NADP+ reductasa (FNR) y malato-NADP+ oxidorreductasa (MNO) consigue reducir el espacio para la difusión del NADPH, facilitando su ciclo catalítico. En segundo lugar, en el trabajo se evita la diversidad de productos que acarrea la fotorreducción del CO2 dado que se forma, en primer lugar, NADPH a partir de NADP+ gracias a la FNR, que toma los electrones excitados para hacer dicha reducción; y el NADPH es utilizado por la MNO para formar un enlace carbono-carbono entre el piruvato y el CO2, dando lugar a malato. El método además permite trabajar en concentraciones catalíticas de NADPH, un cofactor de precio elevado.

Referencias

G. Morello, B. Siritanaraktul, C. F. Megarity, F. A. Armstrong. Efficient Electrocatalytic CO2 Fixation by Nanoconfined Enzymes via C3-to-C4 Reaction That Is Favored over H2 Production. ACS Catal. 2019, 9, 11255−11262.

Contacto

Marcos Pita, Investigador del grupo FCF del Programa FotoArt-CM - marcospita@icp.csic.es

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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