La naturaleza ha tenido miles de millones de años para perfeccionar la fotosíntesis, que directa o indirectamente sustenta prácticamente toda la vida en la Tierra. En ese tiempo, el proceso ha alcanzado una eficiencia casi del 100 por ciento al transportar la energía de la luz solar desde los receptores hasta los centros de reacción, donde puede aprovecharse; un rendimiento muy superior incluso al de las mejores células solares.
Una de las formas en que las plantas logran esta eficiencia es mediante el aprovechamiento de los exóticos efectos de la mecánica cuántica, efectos a veces conocidos como «rareza cuántica». Estos efectos, que incluyen la capacidad de una partícula de existir en más de un lugar a la vez, han sido ahora utilizados por ingenieros del MIT para lograr un aumento significativo de la eficiencia en un sistema de captación de luz.
Sorprendentemente, los investigadores del MIT y de Eni, la compañía energética italiana, lograron este nuevo enfoque de la energía solar no con materiales de alta tecnología ni microchips, sino mediante virus modificados genéticamente.
Este logro en la combinación de la investigación cuántica y la manipulación genética, descrito esta semana en la revista Nature Materials, fue obra de los profesores del MIT Angela Belcher, experta en la ingeniería de virus para llevar a cabo tareas relacionadas con la energía, y Seth Lloyd, experto en teoría cuántica y sus posibles aplicaciones; la investigadora asociada Heechul Park; y 14 colaboradores del MIT, de Eni y de universidades italianas.
Lloyd, profesor de ingeniería mecánica, explica que en la fotosíntesis, un fotón incide sobre un receptor llamado cromóforo, que a su vez produce un excitón, una partícula cuántica de energía. Este excitón salta de un cromóforo a otro hasta llegar a un centro de reacción, donde esa energía se aprovecha para construir las moléculas que sostienen la vida.
Pero la trayectoria de salto es aleatoria e ineficiente, a menos que aproveche los efectos cuánticos que le permiten, en esencia, tomar múltiples trayectorias a la vez y seleccionar las mejores, comportándose más como una onda que como una partícula.
Este movimiento eficiente de los excitones tiene un requisito clave: los cromóforos deben estar dispuestos exactamente como corresponde, con la distancia justa entre ellos. Según explica Lloyd, a esto se le conoce como el «efecto Ricitos de Oro cuántico».
Ahí es donde entra el virus. Mediante la ingeniería de un virus con el que Belcher ha trabajado durante años, el equipo consiguió que se uniera a múltiples cromóforos sintéticos, o, en este caso, tintes orgánicos. Los investigadores pudieron entonces producir numerosas variantes del virus, con separaciones ligeramente distintas entre esos cromóforos sintéticos, y seleccionar las que mejor funcionaban.
Al final, lograron más que duplicar la velocidad de los excitones, aumentando la distancia que recorrían antes de disiparse, una mejora significativa en la eficiencia del proceso.
El proyecto comenzó en un taller celebrado en los laboratorios de Eni en Novara (Italia). Lloyd y Belcher, profesora de ingeniería biológica, presentaban distintos proyectos en los que habían trabajado y comenzaron a debatir, junto con investigadores de Eni, la posibilidad de un proyecto que abarcara sus conocimientos tan diferentes. Lloyd, cuyo trabajo es en gran medida teórico, señaló que los virus con los que trabaja Belcher tienen las escalas de longitud adecuadas para potencialmente sustentar efectos cuánticos.
En 2008, Lloyd había publicado un artículo que demostraba que los organismos fotosintéticos transmiten la energía luminosa de forma eficiente gracias a estos efectos cuánticos. Cuando vio el informe de Belcher sobre su trabajo con virus modificados, se preguntó si eso podría proporcionar una forma de inducir artificialmente un efecto similar, en un esfuerzo por acercarse a la eficiencia de la naturaleza.
“Había estado hablando de posibles sistemas que podrían usarse para demostrar este efecto, y Angela dijo: «Ya los estamos fabricando»”, recuerda Lloyd. Finalmente, tras mucho análisis, «llegamos a unos principios de diseño para rediseñar la forma en que el virus capta la luz y lograr que alcance este régimen cuántico».
En dos semanas, el equipo de Belcher había creado su primera versión de prueba del virus modificado. Después, dedicaron muchos meses de trabajo a perfeccionar los receptores y las separaciones.
Una vez diseñados los virus, pudieron emplear espectroscopía láser y modelización dinámica para observar en acción el proceso de captación de luz y demostrar que los nuevos virus efectivamente aprovechaban la coherencia cuántica para potenciar el transporte de excitones.
«Fue realmente divertido», dice Belcher. «Un grupo de nosotros que hablaba distintos [científicos] idiomas trabajó muy estrechamente, tanto para crear esta clase de organismos como para analizar los datos. Por eso me entusiasma tanto esto».
Aunque este resultado inicial es esencialmente una prueba de concepto más que un sistema práctico, apunta hacia un enfoque que podría conducir a células solares económicas y eficientes o a la catálisis impulsada por luz, afirma el equipo. Hasta ahora, los virus modificados captan y transportan energía de la luz incidente, pero aún no la aprovechan para producir electricidad (como en las células solares) ni moléculas (como en la fotosíntesis). Sin embargo, esto podría lograrse añadiendo un centro de reacción, donde tiene lugar dicho procesamiento, al extremo del virus donde terminan los excitones.
«Es una investigación emocionante y de alta calidad», afirma Alán Aspuru-Guzik, catedrático de química y biología química en la Universidad de Harvard, que no participó en este trabajo. La investigación, afirma, «combina el trabajo de un líder en teoría (Lloyd) y de un líder en experimentación (Belcher) en una combinación verdaderamente multidisciplinar y emocionante que abarca desde la biología hasta la física y, potencialmente, la tecnología del futuro».
«El acceso a sistemas excitónicos controlables es un objetivo compartido por muchos investigadores del campo», añade Aspuru-Guzik. «Este trabajo aporta una comprensión fundamental que puede permitir el desarrollo de dispositivos con un mayor control del flujo de excitones».
Este artículo se publica en colaboración con MIT. La publicación no implica el respaldo de las opiniones por parte del Foro Económico Mundial.
Para estar al día de la Agenda suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autor: David L. Chandler es escritor independiente y autor que escribe sobre ciencia desde 1975. Actualmente es catedrático Bruce Mahan de Química en la Universidad de California, Berkeley. Obtuvo su licenciatura (S.B.) en Química en el MIT en 1966 y su doctorado (Ph.D.) en Física Química en Harvard en 1969.
Imagen: Técnicos científicos de genética molecular trabajan en un centro de genética de una facultad de medicina. REUTERS/Jim Young.
