La nueva molécula, conocida como fotocatalizador biohíbrido, puede mejorar el rendimiento de las reacciones para la generación de productos farmacéuticos y otros compuestos útiles.
Para crear su nuevo catalizador biohíbrido, los investigadores decidieron imitar la fotosíntesis y combinar dos elementos separados.
Los investigadores planean ahora probar la sustitución de diferentes proteínas captadoras de luz y catalizadores, para adaptar su enfoque a una variedad de reacciones químicas.
Imitando la fotosíntesis, el proceso impulsado por la luz que utilizan las plantas para producir azúcares, los investigadores del MIT han diseñado un nuevo tipo de fotocatalizador que puede absorber luz y utilizarla para impulsar una variedad de reacciones químicas.
El nuevo tipo de catalizador, conocido como fotocatalizador biohíbrido, contiene una proteína captadora de luz que absorbe la luz y transfiere la energía a un catalizador que contiene metal. Este catalizador utiliza luego la energía para llevar a cabo reacciones que podrían ser útiles para sintetizar productos farmacéuticos o convertir productos de desecho en biocombustibles u otros compuestos útiles.
«Al sustituir condiciones y reactivos nocivos por luz, la fotocatálisis puede hacer que la síntesis de productos farmacéuticos, agroquímicos y combustibles sea más eficiente y compatible con el medioambiente», afirma Gabriela Schlau-Cohen, profesora asociada de química en el MIT y autora principal del nuevo estudio.
Trabajando con colegas de la Universidad de Princeton y de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, los investigadores demostraron que el nuevo fotocatalizador podría aumentar significativamente el rendimiento de las reacciones químicas que probaron. También demostraron que, a diferencia de los fotocatalizadores existentes, su nuevo catalizador puede absorber todas las longitudes de onda de la luz.
El estudiante de posgrado del MIT Paul Cesana es el autor principal del artículo, que se publica hoy en la revista Chem.
Reacciones de alta energía
La mayoría de los catalizadores aceleran las reacciones al reducir la barrera energética necesaria para que la reacción se produzca. En los últimos 20 años aproximadamente, los químicos han logrado grandes avances en el desarrollo de fotocatalizadores, catalizadores capaces de absorber energía de la luz. Esto les permite catalizar reacciones que no podrían producirse sin ese aporte adicional de energía.
«En la fotocatálisis, el catalizador absorbe energía lumínica para pasar a un estado electrónico mucho más excitado. Y gracias a esa energía, introduce una reactividad que sería prohibitivamente intensiva en energía si solo estuviera disponible la energía del estado fundamental», afirma Schlau-Cohen.
Financiación del desarrollo sostenible
Esto es análogo a lo que hacen las plantas durante la fotosíntesis. La maquinaria fotosintética de las células vegetales incluye pigmentos captadores de luz, como la clorofila, que capturan fotones de la luz solar. Esta energía se transfiere después a otras proteínas que la almacenan en forma de ATP, y dicha energía se utiliza luego para producir carbohidratos.
En trabajos anteriores sobre fotocatalizadores, los investigadores han utilizado una sola molécula para realizar tanto la absorción de luz como la catálisis. Este enfoque tiene limitaciones, porque la mayoría de los catalizadores utilizados solo pueden absorber determinadas longitudes de onda de la luz y no la absorben de manera eficiente.
«Cuando una sola molécula debe captar la luz y realizar la catálisis, no se pueden optimizar ambas funciones al mismo tiempo», afirma Schlau-Cohen. «Por esa razón los sistemas naturales las separan. En la fotosíntesis existe una arquitectura especializada en la que algunas proteínas captan la luz y canalizan después esa energía directamente hacia las proteínas que realizan la catálisis».
Para crear su nuevo catalizador biohíbrido, los investigadores decidieron imitar la fotosíntesis y combinar dos elementos separados: uno para captar la luz y otro para catalizar la reacción química. Para el componente captador de luz, utilizaron una proteína llamada R-ficoeritrina (RPE), presente en algas rojas. Unieron esta proteína a un catalizador que contiene rutenio, el cual ya se había utilizado previamente para la fotocatálisis por sí solo.
Trabajando con investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, dirigidos por el profesor de química Felix Castellano, el laboratorio de Schlau-Cohen demostró que la proteína captadora de luz podía capturar la luz de forma eficaz y transferirla al catalizador. Después, investigadores de la Universidad de Princeton, dirigidos por David MacMillan, profesor de química y reciente galardonado con el Premio Nobel de Química, probaron el rendimiento del catalizador en dos tipos diferentes de reacciones químicas. Una es el acoplamiento tiol-eno, que une un tiol y un alqueno para formar un tioéter, y la otra sustituye un grupo tiol sobrante por metilo tras el acoplamiento de péptidos.
El equipo de Princeton demostró que el nuevo catalizador biohíbrido podría aumentar el rendimiento de estas reacciones hasta diez veces, en comparación con el fotocatalizador de rutenio por sí solo. También descubrieron que las reacciones podían producirse bajo iluminación con luz roja, algo que ha sido difícil de lograr con los fotocatalizadores existentes y resulta beneficioso porque produce menos reacciones secundarias no deseadas y es menos dañino para los tejidos, por lo que potencialmente podría utilizarse en sistemas biológicos.
Síntesis química
Este fotocatalizador mejorado podría incorporarse a los procesos químicos que utilizan las dos reacciones probadas en este estudio, afirman los investigadores. El acoplamiento tiol-eno es útil para crear compuestos utilizados en la obtención de imágenes y la detección de proteínas, la administración de fármacos y la estabilidad de biomoléculas. Como ejemplo, se utiliza para sintetizar lipopéptidos que podrían facilitar la absorción de candidatos a vacunas antigénicas. La otra reacción probada por los investigadores, la desulfurización de cisteinilo, tiene numerosas aplicaciones en la síntesis de péptidos, incluida la producción de enfurvirtida, un fármaco que podría utilizarse para tratar el VIH.
Este tipo de fotocatalizador también podría utilizarse potencialmente para impulsar una reacción denominada despolimerización de la lignina, que podría ayudar a generar biocombustibles a partir de madera u otros materiales vegetales difíciles de descomponer.
Los investigadores planean ahora probar la sustitución de diferentes proteínas captadoras de luz y catalizadores, para adaptar su enfoque a una variedad de reacciones químicas.
«Hicimos una prueba de concepto en la que se puede separar la captación de luz y la función catalítica. Ahora queremos considerar la variación de la parte catalítica y de la parte captadora de luz para ampliar ese conjunto de herramientas, y comprobar si este enfoque puede funcionar en diferentes disolventes y en diferentes reacciones», afirma Schlau-Cohen.
Este trabajo contó con el respaldo del Centro de Investigación de Frontera en Energía Bioinspirada, Química Impulsada por Luz (BioLEC), financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de Estados Unidos.
