La historia sin fin de la hoja biónica

Por Mariana Castro Azpíroz

“Toda historia es una historia sin fin”, diría Michael Ende en su famosa novela. Y así, como todo aparece en Fantasía, en el mundo de la ciencia y la tecnología a partir de una pequeña idea puede surgir lo que parece un número interminable de aplicaciones. Más aún si se reúnen personas con diferentes visiones a aportar su perspectiva. Así es la historia de la hoja biónica, que comenzó con la búsqueda de una fuente de energía alternativa, llegó a producir combustible y ahora se está explorando como fuente de fertilizante para la agricultura sostenible, e incluso para obtener oxígeno puro.

Para almacenar la energía que utilizamos todos los días, solemos usar baterías o combustibles. Las baterías necesitan recargarse porque almacenan entre 50 y 100 veces menos energía que los combustibles. Es por eso que los combustibles fósiles son tan populares, a pesar de ser también tan dañinos para el ambiente. Pero al comienzo siempre está oscuro y aunque a veces pareciera que la Nada nos acecha, aún podemos imaginar muchas cosas para después traerlas al mundo. ¿Y qué mejor fuente de inspiración que la Naturaleza misma? Las plantas absorben agua, luz del Sol y dióxido de carbono y los convierten en oxígeno y azúcares, que son su fuente de energía. El combustible puede ser equivalente a estos azúcares, ya que ambos son compuestos a base de carbono (proveniente del CO₂).

Las plantas también requerirán defensa contra el cambio climático

Nuestra historia comienza en 2007, cuando Daniel Nocera trabajaba en MIT y tomó el principio de la fotosíntesis para crear la “hoja artificial”. Se trata de una placa de silicio que se coloca en agua y separa sus moléculas en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno obtenido se almacena y se puede usar directamente como combustible para celdas. El siguiente capítulo se escribió 9 años después, al hacer equipo con Pamela Silver, experta en bioquímica y biología de sistemas en la Escuela de Medicina de Harvard. Titulado “hoja biónica 2.0” presenta un sistema que alimenta bacterias con el hidrógeno generado y así ellas producen combustible líquido.

Nada se pierde… todo se transforma

Aunque conocemos varias fuentes limpias de energía, muchas veces nos enfrentamos al problema de escalarlas conforme la demanda energética aumenta. Pero en este caso, se logró de manera extraordinaria. Las plantas que crecen más rápido de forma natural tienen una eficiencia del 1% para generar compuestos de carbono a través de la fotosíntesis. La eficiencia de la hoja biónica es 10 veces mayor. Inició produciendo isopropanol, pero hoy en día ya se ideó la manera de hacer también isobutanol e isopentanol, así como un precursor de bioplásticos: PHB.

La hoja biónica es además un sistema cíclico, así que permite reutilizar la misma agua constantemente. Si el hidrógeno generado se recombina con dióxido de carbono, se produce combustible líquido, que al quemarse produce agua nuevamente. El sistema incluye un paso de purificación de agua antes de separar el hidrógeno y oxígeno, así que la fuente de agua no tiene que estar limpia. Esto es muy útil, ya que el 97% del agua del mundo es impura.

Giro en la trama

Dicen que dos mentes piensan mejor que una y, en este caso, una tercera es aún mejor. En 2018 se sumó un nuevo integrante a nuestro equipo interdisciplinario: el estudiante de postdoctorado Kelsey Sakimoto, del Centro por el Ambiente de la Universidad de Harvard. Su interés eran las aplicaciones que la hoja biónica podía tener en la agricultura sostenible. Deseaba dar soluciones al problema de la demanda global de alimentos que fueran aplicables en países en vías de desarrollo. Partimos de la búsqueda de fuentes alternativas de energía, pero ahora el argumento de nuestro relato se convierte en problemas socioambientales en el sector agrícola.

Más allá del algoritmo: Los robots vienen por la agricultura también

La investigación de Sakimoto consistió en usar otra bacteria que se alimentara del hidrógeno (Xanthobacter autotrophicus) y que también pudiera tomar el nitrógeno del aire para producir amoniaco y fósforo: dos fertilizantes muy importantes. Su objetivo ahora es mejorar los procesos agrícolas y llevar una manera sostenible de fertilizar sus cultivos a los pequeños productores y comunidades rurales remotas. Buscan partir de las condiciones más precarias, para no depender de procesos industriales, productos comerciales, ni agua limpia para generar el fertilizante. De momento ha sido probado en un invernadero, donde los rábanos crecieron al doble de tamaño.

Epílogo

Entre los infinitos posibles desenlaces para este proyecto está también generar oxígeno puro a partir de agua sucia o agua de mar, ya que la hoja biónica ha sido financiada por la Oficina de Investigación Naval de Estados Unidos. Les interesa tener oxígeno para los buzos; sin embargo, la capacidad de obtener aire para respirar a partir de fuentes como éstas abre todo un abanico de posibilidades. “Pero esa es otra historia y debe ser contada en otra ocasión”.

Del mismo modo en que la biodiversidad es crucial para la salud de nuestro planeta, los equipos conformados por gente diversa nos ayudan ver más allá, ser más creativos y construir una narrativa alternativa. Así como todos los sistemas en la Tierra están interrelacionados, también lo están los problemas ambientales y socioeconómicos. Podemos hallar en la Naturaleza una fuente de inspiración para proponer soluciones en conjunto, que tengan un impacto en las diferentes esferas y nos ayuden a escribir una historia diferente.

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Mariana Castro Azpíroz estudió biología molecular en la UAM Cuajimalpa. Ha realizado investigaciones en colaboración con el Centro de Investigaciones Biológicas y Acuícolas de Cuemanco (CIBAC, UAM-X); además, se ha dedicado al cuidado y conservación de especies acuícolas endémicas. Desde 2019 se dedica a la divulgación científica y actualmente hace educación ambiental a través de redes sociales.