La fotosíntesis artificial puede producir alimentos en completa oscuridad

Las plantas crecen en completa oscuridad en un medio de acetato que reemplaza la fotosíntesis biológica. Crédito: Marcus Harland-Dunaway/UCR

Los investigadores están desarrollando la fotosíntesis artificial para ayudar a que la producción de alimentos sea más eficiente energéticamente en la Tierra, y tal vez algún día

Marte
Marte es el segundo planeta más pequeño de nuestro sistema solar y el cuarto planeta desde el sol. El óxido de hierro prevalece en la superficie de Marte, lo que da como resultado su color rojizo y su apodo. "El Planeta Rojo." El nombre de Marte proviene del dios romano de la guerra.

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Durante millones de años, la fotosíntesis ha evolucionado en las plantas para convertir el agua, el dióxido de carbono y la energía de la luz solar en biomasa vegetal y en los alimentos que comemos. Sin embargo, este proceso es muy ineficiente, ya que solo alrededor del 1% de la energía que se encuentra en la luz solar termina en la planta. Investigadores de la Universidad de California, Riverside y la Universidad de Delaware han encontrado una manera de evitar por completo la necesidad de la fotosíntesis biológica y crear alimentos independientes de la luz solar mediante el uso de la fotosíntesis artificial.

La nueva investigación, publicada el 23 de junio de 2022 en la revista Alimentos naturales, utiliza un proceso electrocatalítico de dos pasos para convertir el dióxido de carbono, la electricidad y el agua en acetato, la forma del componente principal del vinagre. Los organismos productores de alimentos luego consumen acetato en la oscuridad para crecer. Combinado con paneles solares para generar electricidad para alimentar la electrocatálisis, este sistema híbrido orgánico-inorgánico podría aumentar la eficiencia de conversión de la luz solar en alimentos, hasta 18 veces más eficiente para algunos alimentos.

“Con nuestro enfoque, buscamos identificar una nueva forma de producir alimentos que pudiera romper los límites normalmente impuestos por la fotosíntesis biológica”, dijo el autor correspondiente Robert Jinkerson, profesor asistente de ingeniería química y ambiental de UC Riverside.

Para integrar todos los componentes del sistema, se optimizó la salida del electrolizador para apoyar el crecimiento de organismos productores de alimentos. Los electrolizadores son dispositivos que usan electricidad para convertir materias primas como el dióxido de carbono en moléculas y productos útiles. La cantidad de acetato producido aumentó mientras que la cantidad de sal utilizada disminuyó, lo que resultó en los niveles más altos de acetato jamás producidos en un electrolizador hasta la fecha.

“Usando un tándem CO de dos pasos de última generación2 Con la configuración de electrólisis desarrollada en nuestro laboratorio, pudimos lograr una alta selectividad hacia el acetato al que no se puede acceder a través del CO convencional.2 rutas de electrólisis”, dijo el autor correspondiente Feng Jiao de la Universidad de Delaware.

Los experimentos demostraron que una amplia gama de organismos productores de alimentos se pueden cultivar en la oscuridad directamente en la salida del electrolizador rico en acetato, incluidas las algas verdes, la levadura y el micelio fúngico que produce hongos. Producir algas con esta tecnología es aproximadamente cuatro veces más eficiente energéticamente que cultivarlas fotosintéticamente. La producción de levadura es aproximadamente 18 veces más eficiente energéticamente que la forma en que se cultiva típicamente con azúcar extraída del maíz.

“Pudimos cultivar organismos productores de alimentos sin ninguna contribución de la fotosíntesis biológica. Por lo general, estos organismos se cultivan con azúcares derivados de plantas o insumos derivados del petróleo, que es un producto de la fotosíntesis biológica que tuvo lugar hace millones de años. Esta tecnología es un método más eficiente para convertir la energía solar en alimentos, en comparación con la producción de alimentos que se basa en la fotosíntesis biológica”, dijo Elizabeth Hann, candidata a doctorado en el Laboratorio Jinkerson y coautora principal del estudio.

También se investigó el potencial de emplear esta tecnología para cultivar plantas. El caupí, el tomate, el tabaco, el arroz, la canola y el guisante verde pudieron utilizar el carbono del acetato cuando se cultivaron en la oscuridad.

“Descubrimos que una amplia gama de cultivos podría tomar el acetato que proporcionamos y convertirlo en los principales componentes moleculares que un organismo necesita para crecer y prosperar. Con un poco de mejoramiento e ingeniería en los que estamos trabajando actualmente, podríamos cultivar cultivos con acetato como una fuente de energía adicional para aumentar el rendimiento de los cultivos”, dijo Marcus Harland-Dunaway, candidato a doctorado en el Laboratorio Jinkerson y coautor principal de el estudio.

Al liberar a la agricultura de la dependencia total del sol, la fotosíntesis artificial abre la puerta a innumerables posibilidades para cultivar alimentos en las condiciones cada vez más difíciles impuestas por el cambio climático antropogénico. Las sequías, las inundaciones y la disponibilidad reducida de tierras serían una amenaza menor para la seguridad alimentaria mundial si los cultivos para humanos y animales crecieran en entornos controlados que requieren menos recursos. Los cultivos también podrían cultivarse en ciudades y otras áreas que actualmente no son aptas para la agricultura, e incluso proporcionar alimentos para futuros exploradores espaciales.

“El uso de enfoques de fotosíntesis artificial para producir alimentos podría ser un cambio de paradigma en la forma en que alimentamos a las personas. Al aumentar la eficiencia de la producción de alimentos, se necesita menos tierra, lo que reduce el impacto que tiene la agricultura en el medio ambiente. Y para la agricultura en entornos no tradicionales, como el espacio exterior, la mayor eficiencia energética podría ayudar a alimentar a más miembros de la tripulación con menos insumos”, dijo Jinkerson.

Este enfoque de la producción de alimentos fue presentado a

NASA
Establecida en 1958, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) es una agencia independiente del Gobierno Federal de los Estados Unidos que sucedió al Comité Asesor Nacional para la Aeronáutica (NACA). Es responsable del programa espacial civil, así como de la investigación aeronáutica y aeroespacial. Su visión es "Descubrir y expandir el conocimiento en beneficio de la humanidad." Sus valores fundamentales son "seguridad, integridad, trabajo en equipo, excelencia e inclusión."

” data-gt-translate-attributes=”[{“atributo=””>NASA[{“attribute=””>NASADeep Space Food Challenge de Deep Space Food Challenge, donde fue ganador de la Fase I. Deep Space Food Challenge es una competencia internacional en la que se otorgan premios a los equipos para crear tecnologías alimentarias novedosas y revolucionarias que requieren insumos mínimos y maximizan la producción de alimentos seguros, nutritivos y sabrosos para misiones espaciales de larga duración.

“Imagine algún día naves gigantes cultivando plantas de tomate en la oscuridad y en Marte, ¿cuánto más fácil sería eso para los futuros marcianos?” dijo la coautora Martha Orozco-Cárdenas, directora del Centro de Investigación de Transformación de Plantas de UC Riverside.

Referencia: “Un sistema de fotosíntesis artificial híbrido inorgánico-biológico para la producción de alimentos energéticamente eficientes” por Elizabeth C. Hann, Sean Overa, Marcus Harland-Dunaway, Andrés F. Narvaez, Dang N. Le, Martha L. Orozco-Cárdenas, Feng Jiao y Robert E. Jinkerson, 23 de junio de 2022, Alimentos naturales.
DOI: 10.1038/s43016-022-00530-x

Andres Narvaez, Dang Le y Sean Overa también contribuyeron a la investigación. El documento de acceso abierto se titula “Un sistema de fotosíntesis artificial híbrido inorgánico-biológico para la producción de alimentos con eficiencia energética”.

La investigación fue apoyada por el Instituto de Investigación Traslacional para la Salud Espacial (TRISH) a través de la NASA (NNX16AO69A), la Fundación para la Investigación de Alimentos y Agricultura (FFAR), la Fundación Link, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y el Departamento de Energía de EE. UU. El contenido de esta publicación es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de la Fundación para la Investigación de la Alimentación y la Agricultura.

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