Investigadores de la Universidad de Cornell han desarrollado una plataforma multimodal para obtener imágenes de biohíbridos con resolución unicelular, a fin de comprender mejor su funcionamiento y cómo optimizarlos para una conversión energética más eficiente.
Los biohíbridos microbio-semiconductores combinan el poder biosintético de los sistemas vivos con la capacidad de los semiconductores para captar luz. Estos microorganismos utilizan la energía solar para convertir el dióxido de carbono en productos químicos de valor añadido, como bioplásticos y biocombustibles.
Pero aún no está claro cómo se produce ese transporte de energía en un sistema tan diminuto y complejo, ni si el proceso puede mejorarse.
La investigación sobre biohíbridos se ha realizado normalmente con bacterias a granel, es decir, un gran número de células en un cubo. Esta técnica hace hincapié en el rendimiento global de las sustancias químicas de valor añadido y en los comportamientos colectivos de las células, más que en el mecanismo subyacente que permite la compleja transformación química.
«La biología es muy heterogénea. Las células individuales son muy diferentes. Para analizarla mejor, hay que medirla a nivel unicelular», explica Peng Chen, investigador principal, en un comunicado de prensa. «Aquí es donde entramos nosotros. Proporcionamos evaluaciones cuantitativas del comportamiento de las proteínas y también una comprensión mecanicista de cómo se produce el transporte de electrones desde el semiconductor hasta la célula bacteriana».
La nueva plataforma combinó imágenes de fluorescencia multicanal con mapeo fotoelectroquímico de corrientes para estudiar la bacteria Ralstonia eutropha. La plataforma fue capaz de obtener simultáneamente imágenes, rastrear y contar múltiples proteínas en la célula, al tiempo que medía el flujo de electrones, correlacionando en última instancia las propiedades de las proteínas celulares y los procesos de transporte de electrones.
Metabolización del hidrógeno
Chen y su equipo lograron diferenciar los papeles funcionales de dos tipos de hidrogenasas -una unida a la membrana celular y otra soluble en el citoplasma- que ayudan a metabolizar el hidrógeno y a fijar el CO2. Aunque se sabe que la hidrogenasa soluble es fundamental para metabolizar el hidrógeno, los investigadores descubrieron que la hidrogenasa unida a la membrana, aunque menos importante, en realidad facilita el proceso y lo hace más eficiente.
Además, obtuvieron las primeras pruebas experimentales de que la bacteria puede captar una gran cantidad de electrones procedentes de fotocatalizadores semiconductores.
El equipo midió la corriente de electrones y descubrió que era tres órdenes de magnitud mayor de lo que los científicos pensaban anteriormente, lo que sugiere que futuras cepas de bacterias podrían diseñarse para mejorar la eficiencia de la conversión energética.
Los investigadores también descubrieron que las hidrogenasas solubles y unidas a la membrana desempeñan un papel importante en el transporte de electrones del semiconductor a la célula. Mientras tanto, la célula no sólo puede aceptar electrones, sino que también puede escupirlos en la dirección opuesta, sin la ayuda de las hidrogenasas.
La plataforma de formación de imágenes es lo bastante generalizable como para que pueda utilizarse para estudiar otros sistemas biológico-inorgánicos, incluida la levadura, y para otros procesos, como la fijación del nitrógeno y la eliminación de contaminantes.
«Nuestra plataforma multimodal de obtención de imágenes es potente, pero tiene sus propios límites», afirma Chen. «Podemos obtener imágenes y estudiar proteínas, pero nuestro enfoque no nos permite analizar composiciones de moléculas pequeñas. Así que cabe pensar en seguir integrando nuestro enfoque con otras técnicas -por ejemplo, la espectrometría de masas a nanoescala-, con lo que sería realmente potente. Aún no hemos llegado ahí».