Ingeniería genética y física cuántica en virus para fotosíntesis artificial

Ilustración de un virus usado en los experimentos del MIT. Los centros que capturan luz, llamados cromóforos, se muestran en rojo, y los que acaban de absorber un fotón de luz brillan de color blanco. Después de que el virus sea modificado para ajustar el espaciado entre los cromóforos, la energía puede saltar de un grupo de cromóforos al siguiente más rápido y más eficientemente. (Imagen: cortesía de los investigadores y de Lauren Alexa Kaye)

Un extraño cóctel de campos científicos dispares podría conducir a una técnica de fotosíntesis artificial tan eficiente como la natural.

La naturaleza ha tenido miles de millones de años para perfeccionar la fotosíntesis, que directa o indirectamente sostiene a prácticamente toda la vida en la Tierra. En ese tiempo, el proceso ha alcanzado casi un 100 por ciento de eficiencia en el transporte de la energía de la luz solar desde los receptores hasta los centros de reacción donde puede ser aprovechada, un rendimiento enormemente mejor que el de incluso las mejores células solares.

Una de las estrategias que las plantas emplean para alcanzar esta eficiencia es hacer uso de los efectos exóticos de la mecánica cuántica. Estos efectos, que incluyen la capacidad de una partícula de existir en más de un lugar al mismo tiempo, han sido ahora utilizados por el equipo internacional de Angela Belcher, Seth Lloyd y Heechul Park, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, para alcanzar un notable aumento en la eficiencia de un sistema que captura luz.

Los investigadores del MIT alcanzaron este nuevo ámbito científico de la energía solar no con materiales de alta tecnología o microchips, sino mediante la utilización de virus modificados, en una llamativa combinación de investigación cuántica y manipulación genética.

En la fotosíntesis, un fotón golpea un receptor llamado cromóforo, que a su vez produce un excitón, una partícula cuántica de energía. Este excitón salta de un cromóforo a otro hasta que alcanza un centro de reacción, donde esa energía es aprovechada para construir las moléculas que sostienen la vida.

Pero la vía de saltos es aleatoria e ineficiente a menos que se sirva de los efectos cuánticos que la permiten, es decir, que tomar múltiples vías al mismo tiempo y seleccionar las mejores, comportándose más como una onda que como una partícula.

Este eficiente movimiento de los excitones tiene un requerimiento clave: los cromóforos tienen que estar dispuestos de forma correcta, con exactamente la cantidad de espacio adecuada entre ellos.

Ahí es donde entran los virus. Modificando un virus con el que Belcher ha trabajado durante años, el equipo pudo conseguir que este se uniera con múltiples cromóforos sintéticos o, en este caso, tintes orgánicos. Los investigadores pudieron entonces producir muchas variedades del virus, con separaciones ligeramente diferentes entre esos cromóforos sintéticos, y seleccionar aquellos que mejor rendimiento tenían.

Al final, pudieron aumentar a más del doble la velocidad de los excitones, incrementando la distancia que estos recorrían antes de disiparse, una mejora notable en la eficiencia del proceso.