Fotosíntesis artificial parte 2: Avances científicos en la replica del complejo generador de oxígeno

Estimados Steemians,

Imitar la función que realizan las plantas, algas y cianobacterias para proveernos oxígeno y carbohidratos a través de la fotosíntesis es uno de los desafíos actuales en la ciencia. En este artículo explicaré como los investigadores han abordado la difícil tarea de replicar la estructura del complejo organometálico generador de oxígeno natural (OEC).

El OEC natural es un catalizador biológico que tiene una estructura molecular en forma de cubo deformado con 4 átomos de manganeso, cinco de oxígeno y uno de calcio [1]. Las dos dificultades en replicarlo radican por una parte en la incorporación de calcio debido a que este tiene un radio atómico más grande (231 picometros) que el del manganeso (161 pm) y oxígeno (48 pm). La otra parte difícil es la formación de un puente oxo-manganeso inestable (enlace O-Mn-O) fuera de la estructura del cubo.

Fuente: Imagen editada por @ritch con permiso de pexels, bajo la licencia Creative Commons Zero (CC0).

Los centros activos o encargados de llevar a cabo la reacción de oxidación de agua son atribuidos a los enlaces oxo que forman los átomos de manganeso. El calcio por su parte tiene la función de estabilizar (modular) y completar dicha reacción catalítica, así como de adsorber moléculas de agua [2]. Por otro lado, es posible encontrar en varias publicaciones que el manganeso presenta estados de oxidación III y IV, lo que facilita la liberación de oxígeno molecular [3].

Se sabe que las plantas contienen pequeñas trazas de elementos como manganeso y hierro. Incluso una vez analizamos la composición química del aguijón de un alacrán mediante espectroscopia de rayos X por dispersión de energía (EDS) y encontramos un alto porcentaje de manganeso en él. Este manganeso proveniente posiblemente de las plantas que consumen los alacranes, es lo que le confiere dichas propiedades mecánicas a su aguijón.

Volviendo al tema, el grupo de investigación del Dr. Nocera en el año 2012 utilizaron la ciencia de materiales para fabricar una hoja artificial con la habilidad de disociar moléculas de agua a pH neutro [4]. A lo que llamaron hoja artificial fue a la combinación de capas de materiales semiconductores unidos a catalizadores sobre una placa de acero. Un catalizador puede transformar un producto en otro, en este caso convertir agua en hidrógeno y oxígeno. 

Figura 1: Comparación esquemática de las estructuras similares al complejo generador de oxígeno. Fuente: Imagen creada por @ritch.

En uno de los lados de la placa de acero contenía un catalizador con los metales NiMoZn para producir hidrógeno, el cual reemplazó el uso de platino. En el otro lado de la placa, un catalizador a base de cobalto con un arreglo estructural similar al del OEC natural. El Co-OEC está constituido por un cubo a base cobalto y oxígeno. En la Figura 1, se observa la presencia de un elemento M (moderador) el cual completa el cubo y es probable que este sea de iones de metal alcalino, como en el caso de los cobaltatos [4].

Desde mi punto de vista, el cobalto se ha estudiado ampliamente para la reacción de disociación de agua debido a su alto potencial de oxidación de 1.82 V. Entendiendo que el potencial de oxidación es la capacidad de un material para ganar o quitar electrones a un compuesto cercano. Me gustaría puntualizar que tener en cuenta los potenciales de oxidación o reducción de los elementos nos ayuda para diseñar materiales catalíticos más eficientes en una reacción dada.

En una entrevista el Dr. Nocera realiza la demostración de una de las posibles aplicaciones de las hojas artificiales, vídeo en youtube [5].  En donde utilizando una lampara, una pequeña celda solar y una mini-celda de combustible, se logra encender un ventilador. Esto parece costoso a primera vista, pero son simples contenedores para mantener líquidos y gases que se pueden fabricar de materiales de bajo costo. Respecto al funcionamiento, la celda solar capta energía de la lampara para transmitirla a la hoja artificial mediante cables y ésta a su vez disocia moléculas de agua. Posteriormente, el hidrógeno obtenido es utilizado para generar electricidad en la celda de combustible, lo que permite hacer funcionar el ventilador.

Otro de los enfoques para obtener la estructura del OEC natural fue utilizando la química de compuestos organometálicos. Zhang y colaboradores (2015) sintetizaron una molécula que contiene manganeso y calcio muy similar a la estructura que se desea obtener, ver Figura 1. Sin embargo, no fue posible obtener uno de los enlaces oxo del manganeso. Su OEC artificial contiene proteínas ancladas a la estructura molecular que se asemeja al OEC natural y es la más parecida hasta el momento [6].

A pesar de los grandes avances científicos sobre este tema, continúa siendo un desafío la obtención de una estructura idéntica a la del OEC natural. Confiamos en la comunidad científica que ha dado estas pinceladas en la forma de imitar a la naturaleza para dar el siguiente paso.

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Saludos cordiales,

@ritch

Referencias

[1] J. Yano, J. Kern, K. Sauer, M.J. Latimer, Y. Pushkar, J. Biesiadka, B. Loll, W. Saenger, J. Messinger, A. Zouni, V.K. Yachandra. Where Water Is Oxidized to Dioxygen: Structure of the Photosynthetic Mn4Ca Cluster. Science, 314:821–825, 2006.

[2] J.P. McEvoy, G.W. Brudvig. Water-Splitting Chemistry of Photosystem II. Chemical Reviews 106:4455–4483, 2006.

[3] J. Yano, V. Yachandra. Mn4Ca Cluster in Photosynthesis: Where and How Water is Oxidized to Dioxygen. Chemical Reviews 114:4175–4205, 2014.

[4] D.G. Nocera. The artificial leaf. Accounts of Chemical Research 45:767-776, 2012.

[5] Adam Shaw [BBC Studios]. (17 de Junio de 2013). Artificial leaves replicate photosynthesis? [archivo de video]. Recuperado de [https://www.youtube.com/watch?v=J556uXwrjII].

[6] C. Zhang, C. Chen, H. Dong, J.R. Shen, H.Dau, J. Zhao. A synthetic Mn4Ca-cluster mimicking the oxygen-evolving center of photosynthesis. Science 348:690-693, 2015.

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Fotosíntesis artificial parte 1: Entendiendo la estructura del complejo generador de oxígeno.