A los mandos del minirover, Geobacter

Geobacter sulfurreducens es una bacteria gram-negativa, anaerobia (aunque puede funcionar en presencia de oxígeno) y que se desarrolla principalmente en subsuelos y zonas de sedimentación fluvial. Famosa por su capacidad de oxidar compuestos orgánicos y metales (hierro y magnesio), por respirar metales radiactivos (uranio) y por la capacidad de  biodegradación anaerobia de derivados del petróleo, ha demostrado ser de gran interés en técnicas de biorremediación. G. sulfurreducens posee flagelos mediante los que se mueve hacia los compuestos metálicos y que pueden actuar como posible mecanismo de transferencia electrónica sobre óxidos de hierro. Otra de sus propiedades y en la que me centraré, será la actividad electrogénica, es decir, la capacidad de conversión de energía química en eléctrica.

Geobacter metaboliza la materia orgánica dando como resultado protones y dióxido de carbono. Los electrones generados en la respiración se transfieren fuera de la membrana de la bacteria mediante el citocromo c, una proteína que actúa como conductora, "extrayendo" los electrones desde el interior  hasta el electrodo que haga contacto con la bacteria.
Pero la producción de electricidad mediante microorganismos no es nada novedoso. En 1910, M. C. Potter, un profesor de la Universidad de Durham (Inglaterra), mediante un cultivo de  Escherichia coli y electrodos de platino logró generar una corriente eléctrica. Aunque lo lograra (de forma ínfima eso sí), no fue hasta los 80' cuando se produjo un verdadero interés por sus aplicaciones biotecnológicas.

Desde hace algunos años, la NASA  y el NRL (U. S. Naval Research Laboratory) han estado investigando el desarrollo de exploradores robóticos planetarios a pequeña escala. En un estudio reciente, el NRL propone un novedoso microrover autónomo, con un peso de casi un kilogramo, impulsado por  Células de combustible microbiana (MFC) y en este caso, utilizando a Geobacter sulfurreducens como principal protagonista.

Fotografía a microscopio electrónico de Geobacter sulfurreducens como núcleo de una célula de combustible microbiana. Fuente: NASA/NRL.

Las celdas MFC son dispositivos electroquímicos dotados de un ánodo en condiciones anaerobias y un cátodo en condiciones aerobias separados por una membrana de intercambio catiónico que permite el paso de protones. 

Esquema de una celda MFC donde los electrones liberados a través del citocromo c se transfieren hacia el ánodo. En la cavidad anaerobia (ánodo) se liberan protones y dióxido de carbono. En la cavidad aerobia se produce agua en presencia de los electrones y protones. Fuente imagen: Nature.

El género Geobacter actúa de mediador redox mediante contacto directo con el ánodo, a diferencia de otros géneros que secretan sus propios catalizadores que reaccionan con el electrodo negativo. Ya hemos visto que esta bacteria actúa como un catalizador biológico que puede transferir los electrones hacia el ánodo creando una corriente eléctrica. Por lo tanto y en teoría, tendríamos una fuente de energía casi inagotable, que dependería de la colonia de bacterias y el combustible que suministrasemos, azúcar en el caso de nuestro minirover.


Los Rovers Exploradores de la NASA (MERs), Spirit y Opportunity se alimentan principalmente de paneles fotovoltaicos junto con pequeñas aportaciones de isótopos radiactivos (ya no en el caso del fallecido Spirit). La sonda Curiosity, recientemente enviada a Marte (Noviembre de 2011), obtiene su energía, de manera excepcional, mediante generadores termoeléctricos de radioisótopos (dióxido de plutonio). 

Comparación de tamaños: Spirit/Opportunity, Sojourner y Curiosity.

Una cuestión importante en el desarrollo de futura robótica exploratoria será la duración de las baterías ante largos periodos de oscuridad. Pensemos también en ambientes hostiles como el que ofrece Marte donde las tormentas de polvo pueden disminuir el rendimiento de los paneles fotovoltaicos. En este punto saldríamos beneficiados por la innovación y el desarrollo de las células microbianas que, aunque no podrían impulsar a un rover como el Curiosity (900 kg de peso), sí podrían proveer de suministro eléctrico partes de su electrónica o colaborar en la recarga de baterías. 

Es aquí cuando surge la necesidad de desarrollar una fuente de alimentación que no sólo dependa de la energía solar o nuclear, para poder continuar nuestro viaje por el cosmos.


NOTA: Esta entrada participa en la VI Edición del Carnaval de la Tecnología alojado en el blog Scientia y en la IX Edición del Carnaval de Biología que acoge el blog La Ciencia de la Vida.

Fuentes:
http://www.semicrobiologia.org/pdf/actualidad/45/Geobacter.pdf
http://www.geobacter.org/publication-files/12620842.pdf