En la actualidad, uno de los principales objetivos de muchos centros de investigación en el mundo es la búsqueda de fuentes de energía renovables que reemplacen a los combustibles fósiles. Uno de ellos es el hidrógeno gaseoso (H2). Hasta ahora se han identificado una serie de bacterias que tienen la capacidad de producirlo, ya sea mediante procesos fotosintéticos o fermentativos. Sin embargo, todos ellos requieren de ambientes anaeróbicos para que sus principales enzimas productoras de H2 – las hidrogenasas y nitrogenasas – puedan funcionar.
Algunos organismos diazótrofos (fijadores de nitrógeno) como la Anabaena (una cianobacteria) pueden fijar el nitrógeno y producir H2 en estructuras especializadas llamadas heterocistos, los cuales forman un microambiente anaeróbico para mantener el funcionamiento de sus enzimas sensibles al oxígeno. Sin embargo, estos heterocistos no son abundantes, están en una proporción de 1:10 con respecto a las células normales, lo cual no lo hace muy adecuado como para usarlos en la producción a gran escala, debido a su bajo rendimiento por biomasa.
Sin embargo, científicos de la Universidad de Washington liderados por la Dra. Anindita Bandyopadhyay han descrito una cianobacteria del género Cyanothece – ATCC 51142 – con la capacidad de producir grandes cantidades de H2 en condiciones aeróbicas.
Esta cianobacteria durante el día hace la fotosíntesis, fijando el carbono del ambiente (CO2) para almacenarlo en forma de glucógeno. Durante la noche, cuando por obvias razones no puede hacer la fotosíntesis, usa este glucógeno para producir energía en forma de ATP, el cual es usado para mantener en funcionamiento su enzima nitrogenasa, la cual fija el nitrógeno gaseoso del ambiente (N2) en forma de amoniaco (NH3) y en el proceso libera H2, el cual puede ser aprovechado como un combustible renovable. Gracias a las altas tasas de respiración durante la fase oscura, se crea un ambiente subóxico dentro de la célula, la cual favorece al funcionamiento de la nitrogenasa que, como mencionamos anteriormente, es sensible al oxígeno.
Además, Bandyopadhyay et al. lograron aumentar los rendimientos de producción de H2 usando otras fuentes de carbono, como el glicerol, e inyectando mayores cantidades de CO2 al medio de cultivo. El rendimiento específico bajo estas condiciones fue de aproximadamente 200umoles de H2 por miligramo de clorofila por hora. Cabe resaltar que tanto el glicerol como el CO2 son productos de desecho abundantes en muchos procesos industriales.
Las Cyanothece 51142 normalmente fueron cultivadas con 12 horas de luz y 12 horas de oscuridad, uno para producir la energía y el otro para usarla en la fijación del nitrógeno y la producción de H2. Pero, cuando sometieron al cultivo a un periodo de 48 horas de luz continuas, los niveles de H2 aumentaron hasta más de 900ml por cada litro de cultivo. Algo sorprendente de este experimento fue que las cianobacterias mantenía sus fases luminosa y oscura a pesar de no tener ningún periodo de oscuridad en los dos días que duró el ensayo. Esto lo determinaron porque los niveles de O2 disueltos en el medio de cultivo aumentaban y disminuían cada 12 horas.
Este fue un gran descubrimiento porque a parte de poder producir H2 en condiciones aeróbicas, podía hacerlo con luz continua. La explicación es que con 48 horas de luz continua, la maquinaria fotosintética funcionaría más tiempo y produciría mayor cantidad de glucógeno. Cuanto más glucógeno tiene para respirar, más ATP se generará, más N2 se fijará y más H2 se producirá. Y como mantiene su “ciclo circadiano” los niveles de oxígeno celular se reducirán cada 12 horas, permitiendo el funcionamiento de la nitrogenasa.
Los investigadores también demostraron que el sistema nitrogenasa podría direccionar todos los electrones a la producción de H2 en ausencia de N2. Como vimos en la ecuación de la primera figura, la Cyanothece 51142 usa ocho electrones en la fijación del nitrógeno: seis para la formación del amoniaco (NH3) y dos para la formación del H2; pero, si todos los electrones los destinara a la formación de hidrógeno, sería capaz de producir hasta 4 moléculas de H2 con la misma cantidad de energía. Esto lo demostraron usando una atmósfera de Argón en vez de Nitrógeno. Bajo estas condiciones, la producción de H2 fue entre dos y tres veces superior a las condiciones normales.
De todas maneras, el rendimiento de H2 producido por Cyanothece 51142 fue superior al de cualquier microbio silvestre estudiado hasta el momento. Entonces, si se empieza a mejorar esta cepa de Cyanothece usando la biotecnología y la ingeniería genética, los rendimientos podrían aumentar considerablemente, volviéndose muy rentable económicamente hablando.
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