Inovação abre caminho ao fabrico de produtos químicos, plásticos e alimentos "limpos" utilizando energia solar
Reator solar integrado utiliza luz solar, água, CO2 e bactérias artificiais para produzir biomassa num único copo
Um novo estudo liderado pelo Dr. Lin Su da Queen Mary University of London, publicado no Journal of the American Chemical Society, descreve um novo reator solar integrado no qual Escherichia coli (E. coli) são cultivadas diretamente dentro do mesmo líquido que converte o CO₂ numa fonte de energia utilizável utilizando a luz solar.
No futuro, esta tecnologia poderá ser utilizada para produzir produtos químicos, plásticos ou mesmo proteínas microbianas ambientalmente limpas.
O dispositivo combina uma célula solar orgânica, um elétrodo semicondutor, duas enzimas e uma bactéria modificada e converte CO₂ e água em biomassa viva, reproduzindo as fases da fotossíntese natural sem qualquer planta, alga ou micróbio fotossintético.
Química movida a energia solar e bactérias artificiais
A indústria química atual funciona com combustíveis fósseis. Duas alternativas limpas estão a crescer em paralelo: a química movida a energia solar, em que a luz do sol transforma o CO₂ em pequenas moléculas úteis, e as bactérias artificiais, que podem ser programadas para produzir uma vasta gama de produtos químicos. Vários dispositivos biohíbridos anteriores já colocaram um absorvedor de luz abiótico e um micróbio no mesmo reator, utilizando diferentes combinações de catalisadores, intermediários e organismos hospedeiros.
Este artigo pergunta: será possível obter a mesma integração num único recipiente utilizando um conjunto de componentes que sejam fáceis de engenhar em ambos os lados, especificamente um absorvente de luz orgânico, uma enzima purificada como catalisador de redução de CO₂, o formiato solúvel de transportador de energia de carbono único e um chassis de E. coli modificado? Esta combinação é importante porque cada um destes componentes pode ser ajustado ou trocado de forma independente (a célula solar redesenhada, a enzima reestruturada, a estirpe religada para um produto-alvo), dando origem a uma plataforma concebida para ser modificada em vez de fixada a uma química.
Para que uma indústria química limpa substitua a dos combustíveis fósseis, a química que captura o CO₂ e a biologia que o transforma em produtos úteis terão eventualmente de partilhar o mesmo dispositivo. Os processos de duas etapas com transferência manual entre reactores são demasiado dispendiosos e ineficientes para serem escalados. Este trabalho é uma demonstração inicial de que a química e a biologia podem ser compatibilizadas dentro de um copo, que é a base para qualquer futura refinaria solar integrada para produtos químicos, materiais e proteínas microbianas.
No interior do reator, a luz solar alimenta duas reacções e segue-se uma terceira reação no mesmo líquido. A luz solar divide a água num elétrodo, libertando oxigénio para as bactérias respirarem. Num segundo elétrodo, alimenta uma enzima que captura o CO₂ do líquido e o transforma em formiato, uma pequena molécula que transporta a energia solar capturada numa forma que as bactérias podem utilizar como combustível. As bactérias absorvem então o formato, queimam-no para obter energia utilizando o oxigénio que o dispositivo acabou de produzir e utilizam essa energia para se construírem a partir de mais CO₂ dissolvido no mesmo líquido. A luz solar entra. As bactérias vivas saem.
O valor do trabalho é mostrar que toda a cadeia, desde os fotões até à biomassa de E. coli num só líquido, é possível. Isto abre o caminho para a troca de estirpes modificadas que produzem produtos químicos alvo para além da biomassa.
O Dr. Lin Su, professor na Queen Mary University of London, afirmou: "Anteriormente, o problema de tentar produzir biomassa viva, como as bactérias, num reator químico alimentado a energia solar, é que a química liberta normalmente iões metálicos tóxicos que envenenam as bactérias. Mostrámos que um reator químico movido a energia solar e bactérias artificiais podem partilhar um único copo, utilizando a luz solar, a água e o CO₂ para produzir biomassa viva em segurança.
"Uma vez que essa integração funcione, um biólogo sintético pode ligar uma estirpe diferente de E. coli ao mesmo hardware para produzir uma molécula diferente.
"Embora esteja numa fase inicial, com rendimentos ainda pequenos e o reator a funcionar durante horas em vez de semanas, é muito promissor."
A Dra. Celine Wing See Yeung, da Universidade de Cambridge, afirmou: "O projeto surgiu como um puzzle moldado por anos de investigação - desde permitir que a energia fotovoltaica orgânica funcione a altas temperaturas até ao avanço da purificação de enzimas e à sua integração com a biologia sintética. Juntos, mostramos como a química dos materiais e a biologia sintética podem unir forças para desenvolver as refinarias químicas do futuro alimentadas a energia solar".
O Professor Ron Milo, do Instituto Weizmann de Ciências, afirmou: "A integração bem sucedida destes dois sistemas vai ser fundamental para as tecnologias de produção sustentáveis. Os avanços no cultivo de bactérias utilizando CO2 abrem caminho para o fornecimento dos nossos alimentos de uma forma que utiliza muito menos terra e água e que pode ser dimensionada para atenuar significativamente os desafios climáticos e ecológicos que a humanidade enfrenta". O Professor Erwin Reisner, da Universidade de Cambridge, afirmou: "O nosso estudo demonstra que os absorventes de luz sintéticos podem ser integrados em micróbios não fotossintéticos para alimentar a reação central da fotossíntese natural. Este feito foi possível graças a uma abordagem interdisciplinar, através da seleção cuidadosa e da combinação de semicondutores com enzimas isoladas e micróbios artificiais num dispositivo alimentado por energia solar. Esta abordagem abre novas e excitantes oportunidades para a produção de produtos químicos de elevado valor através de sistemas semi-biológicos para o fabrico sustentável, tirando partido das fronteiras da biologia sintética".
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