Cómo la fotosíntesis artificial puede ayudar en la colonización del espacio

La exploración espacial ha puesto el foco sobre la fotosíntesis artificial. Es fácil entender por qué: mantener la vida en el espacio depende de fuentes de oxígeno, agua y energía, y este milenario proceso podría resolver los retos. Las investigaciones realizadas durante décadas para desentrañar las claves que hacen altamente eficiente a la fotosíntesis natural han inspirado tecnologías artificiales y semiartificiales in vitro. Una de ellas, descubierta hace cincuenta y cinco años, ha inspirado materiales y tecnologías centrados en la producción de oxígeno molecular e hidrógeno. Se trata de la fotolisis del agua, es decir, de la oxidación del agua por la luz solar.

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La fotosíntesis surgió hace entre 3 400 y 2 900 millones de años. Posteriormente, la rápida diversificación de las cianobacterias, junto con procesos de endosimbiosis, la extendieron espectacularmente. La fotosíntesis oxigénica es la principal fuente de oxígeno en la atmósfera y de biomasa, pero el oxígeno liberado al medioambiente es solo un subproducto de sus etapas iniciales. Este se libera a partir de la oxidación del agua inducida por la luz, una reacción que tiene lugar en la membrana de los tilacoides, característica de las
cianobacterias, diatomeas y plantas. Una especie de sacos que en las plantas forman parte de los cloroplastos, los orgánulos de la célula vegetal responsables de la fotosíntesis.

En 1969, Pierre Joliot halló que el oxígeno liberado durante las primeras etapas de la fotosíntesis se produce tras un periodo de cuatro flashes de luz en el lumen de la membrana de tilacoide. Un año más tarde, Bessel Kok (1970) descifró el mecanismo y dio una explicación para este suceso: el oxígeno se libera tras un ciclo de cuatro pasos activados por la luz, como los pasos de los cuatro cuartos de un reloj. En cada uno de estos cuatro pasos se generan especies químicas con propiedades oxidantes. Kok las denominó “estados S”.

Hoy conocemos este mecanismo como modelo Kok-Joliot. El hallazgo fue un importante hito, refutó la idea inicial de que el oxígeno procedía del dióxido de carbono en los organismos verdes. El modelo de Kok-Joliot fue un cambio de paradigma crucial para comprender el mecanismo de oxidación biológica del agua que produce oxígeno molecular y equivalentes de hidrógeno, que podrían dar lugar a la producción de hidrógeno.

Hubo que esperar hasta 2006 para conocer la naturaleza de los “estados S” del modelo de Kok-Joliot. Hoy sabemos que están asociados a los estados de oxidación del manganeso (Mn), un metal componente del complejo de manganeso y calcio ligado al tilacoide –en el fotosistema II– donde tiene lugar este proceso fotosintético.

El complejo de manganeso y calcio funciona como un catalizador: activa la rotura (oxidación) de las moléculas de agua. Su estructura tridimensional se resolvió mediante cristalografía de rayos X en 2011. En 2022, gracias al desarrollo de técnicas espectroscópicas de rayos X avanzadas, conocimos la composición y la estructura a nivel atómico de los cuatro “estados S” (So, S1, S2, S3, S4).

El mecanismo de la reacción que librera oxígeno en la fotosíntesis ha sido resuelto.

La carrera por la fotosíntesis artificial

Mientras sucedían estos avances, lo que había sido un tema de interés solo para bioquímicos y biofísicos pasó a tenerlo para otras disciplinas por sus aplicaciones. Los hallazgos impulsaron una carrera para la creación de dispositivos fotosintéticos artificiales que intentan imitar los componentes y los procesos que tienen lugar en los tilacoides de las células de los organismos verdes.

Durante cinco décadas se ha debatido este tema y se han desarrollado sistemas multicomponentes y catalizadores bioinspirados. Los primeros estudios se centraron principalmente en el desarrollo de sistemas combinados de fotosensibilizadores y catalizadores en disolución. Se han investigado complejos de metaloporfirinas y dendrímeros metálicos como fotosensibilizadores, catalizadores basados en complejos metálicos y mediadores de electrones basados en complejos de cobalto o cobre.

También se ha estudiado el uso de aniones persulfato como aceptores de electrones y se han investigado tanto sistemas no agregados como autoensamblados. En la última década han surgido otras estrategias como el uso de hidrogeles en lugar de solución acuosa y solvente para imitar la estructura interna de los cloroplastos vegetales, que colocalizan los componentes moleculares para la oxidación del agua en las plantas. Para ello, se han propuesto catalizadores a base de níquel y otros complejos organometálicos. Se están diseñando equipos y dispositivos con componentes mejorados, y se comprueba su estabilidad y eficacia en diferentes condiciones de temperatura, presión y gravedad.

¿Podemos desarrollar una tecnología espacial que produzca oxígeno?

La falta de oxígeno y las limitaciones de combustible en el espacio limitan la duración de las misiones a largo plazo y la futura presencia humana permanente en la Luna y Marte. Actualmente, estas limitaciones están promoviendo una apasionante competición por desarrollar tecnología espacial para la producción de oxígeno y el suministro seguro de combustible en el espacio.

En este sentido, se están proponiendo dispositivos basados en la fotosíntesis artificial como solución. Aunque existen tecnologías para producir oxígeno –la electrólisis es la reacción química más utilizada para producir oxígeno a partir del agua– requieren electricidad como fuente de energía. Por el contrario, los sistemas bioinspirados eficientes basados en la fotosíntesis natural no requieren una fuente de electricidad: esta tecnología prescinde de ella.

Se están diseñando e investigando dispositivos alternativos que producen oxígeno e hidrógeno a partir de agua y luz utilizando materiales semiconductores recubiertos de catalizadores metálicos. Con ellos y el uso de la radiación solar, los astronautas podrían respirar oxígeno sin limitaciones en las misiones espaciales y no habría necesidad de reabastecimiento desde la Tierra.

Las investigaciones de la Agencia Espacial Europea (ESA) sugieren que, dadas las condiciones de la Luna, esta estrategia podría funcionar. También incluso en Marte, donde la luz solar es menos intensa. En condiciones limitantes de luz, estos dispositivos podrían funcionar utilizando espejos solares para concentrar la luz solar recibida. Se argumenta que la fotosíntesis artificial podría funcionar a temperatura ambiente y a las presiones encontradas en la Luna y Marte, y las diferentes condiciones de gravedad no serían una limitación. Así, este tipo de tecnología podría tener ventajas en estos hábitats utilizando el agua como principal recurso.

En la Luna se ha detectado la presencia generalizada de agua helada, lo que supondría un valioso recurso para producir oxígeno e hidrógeno y dar soporte vital y energético a los astronautas visitantes.

Es apasionante, por tanto, comprobar cómo dos líneas de investigación no conectadas en principio entre sí, la biológica y la tecnológica, acaban confluyendo en un objetivo común: contar con la posibilidad de suministro estable de oxígeno y combustible en la Luna a partir del agua encontrada allí.