La fotosíntesis artificial abre la puerta a la producción eficiente de alimentos en total oscuridad y reduciendo la necesidad de tierra gracias a un nuevo proceso de dos pasos que permite soñar con el cultivo de alimentos también en el espacio.
Estas plantas crecen en total oscuridad en un medio de acetato que reemplaza la fotosíntesis biológica.
La fotosíntesis ha evolucionado en las plantas durante millones de años para convertir el agua, el dióxido de carbono y la energía de la luz solar en biomasa vegetal, es decir, la base de la cadena alimentaria de la que formamos parte. Sin embargo, este proceso es muy ineficiente, ya que solo alrededor del 1% de la energía de la luz solar acaba en la planta en forma de biomasa. Ahora, no obstante, un equipo de científicos de las universidades de California en Riverside y Delaware han encontrado una manera de esquivar por completo la necesidad de fotosíntesis biológica y crear alimentos independientemente de la luz solar mediante el uso de fotosíntesis artificial.
La investigación, publicada en la revista especializada Nature Food bajo el título A hybrid inorganic–biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production, describe un proceso electrocatalítico de dos pasos empleado para convertir el dióxido de carbono, la electricidad y el agua, en acetato, el componente principal del vinagre. Los organismos productores de alimentos consumirían posteriormente este acetato en la oscuridad para crecer. Combinado con paneles solares para generar electricidad y alimentar la electrocatálisis, este sistema híbrido orgánico-inorgánico podría aumentar hasta en 18 veces la eficiencia de conversión de la luz solar en alimentos.
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"Con nuestro enfoque, buscamos identificar una nueva forma de producir alimentos que pudiera romper los límites impuestos por la fotosíntesis biológica", explica el profesor asistente de ingeniería química y ambiental de UC Riverside, Robert Jinkerson, coautor del estudio. Los electrolizadores son dispositivos que usan electricidad para convertir materias primas como el dióxido de carbono en moléculas y productos útiles como el acetato. De este modo, los investigadores optimizaron el sistema de electrolizadores para optimizar la producción de acetato y el crecimiento de los organismos productores de alimentos.
Experimentos posteriores 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 algas verdes, levadura y el micelio fúngico que producen algunos hongos. Producir algas con esta tecnología es aproximadamente 4 veces más eficiente energéticamente que cultivarlas fotosintéticamente, explican los autores. Del mismo modo, la producción de levadura es aproximadamente 18 veces más eficiente energéticamente que la forma en que normalmente se cultiva, a partir del azúcar extraída del maíz.
Este sistema híbrido orgánico-inorgánico podría aumentar hasta en 18 veces la eficiencia de conversión de la luz solar en alimentos.
“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 se generó 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 basada en la fotosíntesis biológica”, defiende Elizabeth Hann, candidata a doctorado en el Laboratorio de Jinkerson y coautora principal del estudio.
Una agricultura independiente del Sol
Los autores también investigaron el potencial de esta tecnología para cultivar plantas. Así, los frijoles, 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 con acetato como fuente de energía adicional y así aumentar el rendimiento de los cultivos”, cuenta Marcus Harland-Dunaway, candidato a doctorado en el Laboratorio Jinkerson y también coautor principal del estudio.
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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. Las sequías, las inundaciones y la disponibilidad reducida de tierras serán 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 localizarse en ciudades y otras áreas que actualmente no son aptas para la agricultura. Este nuevo método podría incluso proporcionar alimentos para futuros exploradores espaciales.
“El uso la 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 necesitaría menos tierra, lo que reduciría el impacto de la agricultura en el medio ambiente. Y para la agricultura en entornos no tradicionales, como el espacio exterior, una mayor eficiencia energética podría ayudar a alimentar a más miembros de la tripulación con menos insumos”, añade Jinkerson.
Este nuevo modo de producción de alimentos se presentó al Deep Space Food Challenge de la NASA, donde resultó ganador de la Fase I del concurso. El Deep Space Food Challenge es una competencia internacional en la que se otorgan premios a los equipos capaces de desarrollar tecnologías alimentarias novedosas y revolucionarias que requieren insumos mínimos y maximizan la producción de alimentos seguros, nutritivos, sabrosos y aprovechables a largo plazo en las naves espaciales. “Imagine algún día naves gigantes cultivando plantas de tomate en la oscuridad y en Marte", declara la coautora del estudio Martha Orozco-Cárdenas, también directora del Centro de Investigación de Transformación de Plantas de UC Riverside, a la vez que deja una pregunta en el aire: "¿Cuánto facilitaría eso las cosas para los futuros marcianos?”.
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