Cuando Stefano Cestellos-Blanco ingresó a la Universidad de California, Berkeley en 2016, nunca soñó que intentaría hacer azúcar en el espacio.

Pero lo que resultó ser un proyecto de investigación fuera de horario, impulsado por una competencia de la NASA para hacer girar el azúcar directamente a partir del dióxido de carbono, ahora es un ganador.

El proceso de elaboración de azúcar desarrollado por Cestellos-Blanco y su equipo de UC Berkeley, dirigido por el químico y profesor Peidong Yang, compartió el premio mayor – $ 650,000 – con otros dos equipos que compiten en el CO₂ Desafío de conversión.

La participación del equipo de UC Berkeley en el premio, alrededor de $ 217,000 más un bono de $ 25,000, por un total de alrededor de $ 242,000, se utilizará para refinar aún más su proceso. Lejos de hacer que la comida chatarra sea tan barata en todo el sistema solar como en la Tierra, el equipo tiene como objetivo suministrar azúcar a los microbios que harán cosas más complejas, como alimentos o medicinas, para los astronautas o colonos en Marte, donde el CO₂ es abundante.

Los resultados fueron anunciado hoy en una ceremonia virtual de premios, donde Cestellos-Blanco respondió preguntas sobre el proyecto en nombre del equipo SSwEET en UC Berkeley – Space-Sugar con tecnología de energía electroquímica. Compartieron el premio con Teams Air Company de Brooklyn, Nueva York, y Hago Energetics Inc. de Thousand Oaks, California.

“Estamos muy orgullosos del hecho de que somos el único laboratorio universitario que queda en la competencia”, dijo. “Los otros competidores son empresas de tamaño industrial.

Cestellos-Blanco admite que el proceso del equipo de SSwEET no está listo para pasar a la producción a granel de azúcares, pero confía en que funcionará según lo prometido, con aplicaciones potenciales en la Tierra, así como en Marte y en el mundo. medios para reducir el dióxido de carbono en la atmósfera resultante de la combustión de combustibles fósiles.

“Comenzó como un proyecto paralelo que involucró mucho, pero fue un proceso de aprendizaje realmente asombroso”, dijo Cestellos-Blanco, quien está en el departamento de ciencia e ingeniería de materiales, donde Yang tiene un co-mandato. «Suceden muchas cosas en la escuela de posgrado que no planeas cuando comienzas».

La principal investigación de Cestellos-Blanco implica un proceso diferente para transformar el CO₂ en productos químicos más complejos. Inventado por Yang, el proceso biohíbrido conecta microbios con nanocables semiconductores para transformar CO₂ en los componentes básicos de las moléculas orgánicas, como los combustibles o los plásticos. Este proceso también sería útil para los colonos de Marte o durante misiones en el espacio profundo a otros planetas.

Pero la competencia de la NASA especificó un proceso no biológico para hacer azúcar, ya que el objetivo es alimentar los azúcares, idealmente glucosa, un azúcar de seis carbonos, a los microbios para exploradores espaciales o colonos.Los planetas pueden biofabricar moléculas orgánicas como alimentos, bioplásticos y medicamentos. El equipo de Yang, que incluía al ex estudiante graduado Yifan Li, ahora en el Centro de Tecnología Avanzada Lockheed Martin, y al ex becario postdoctoral Michael Ross, ahora profesor asistente en la Universidad de Massachusetts, Lowell, tuvo que volver a la literatura química para ver cómo otros se acercaban a la problema. Encontraron cero.

«Para convertir el CO₂ al azúcar, esencialmente no hay química en la literatura ”, dijo Yang, SK y Angela Chan catedrática de energía de la Facultad de Química.

Una reacción química clave que da inicio a la vida

Sin embargo, sí descubrieron un antiguo proceso químico de mediados del siglo XIX que utilizaba cal (hidróxido de calcio) para convertir un compuesto diferente, el formaldehído, en varios tipos de azúcares. Algunos científicos han sugerido que esta llamada reacción de formosa creó las primeras moléculas orgánicas en el espacio que eventualmente se convirtieron en los componentes básicos de la vida.

Alguna vez se pensó que la reacción procedía de la condensación y la adición de formaldehído solo para formar azúcares, pero el primer paso de la reacción, la conversión de formaldehído en glicolaldehído, ocurre a una velocidad indetectable con un mecanismo incierto. El equipo de UC Berkeley descubrió que agregar un poco de glicolaldehído desencadena la reacción de la formosa, como un autocatalizador, para producir azúcares.

Dado que tanto el formaldehído como el glicolaldehído son cadenas cortas de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno, los científicos se preguntaron: «¿Podrían estos productos químicos fabricarse directamente a partir del CO?»₂ luego se introduce en la reacción de la formosa para dar azúcar? «

“Le pedí al equipo que pensara en cómo aplicar ingeniería inversa al CO₂– reacción al azúcar ”, dijo Yang.

La propuesta de los miembros del equipo para demostrar este proceso obtuvo una Subvención de la Fase Uno de la NASA de $ 50,000 en 2019, y a pesar de las restricciones de investigación que hizo necesaria la pandemia COVID-19, Cestellos-Blanco pudo demostrar a fines del año pasado que un proceso electroquímico que involucra solo electricidad, nanopartículas de cobre como catalizadores y CO₂ en agua, produce glicolaldehído que puede usarse en la reacción de formosa. En el espacio, la electricidad sería suministrada por energía solar.

“En última instancia, en las aplicaciones del espacio profundo o de Marte, todo tiene que ser electroquímico porque se puede alimentar a través de paneles solares”, dijo Yang, quien anteriormente había cosechado energía solar con nanocables de silicio.

Yang y Cestellos-Blanco han demostrado desde entonces que al usar un catalizador diferente pueden generar formaldehído electroquímicamente a partir de CO.₂, además. Para la competencia, el equipo demostró que la reacción de la formosa con formaldehído, potencialmente de CO termoquímico₂ fijación y CO glicolaldehído₂ electrosíntesis, genera azúcares – desde azúcares de tres carbonos hasta azúcares de ocho carbonos – en aproximadamente cuatro horas, dentro del tiempo especificado en la competencia.

«Hicimos una sopa de azúcar y pudimos identificar qué azúcares son, y pudimos seguir adelante y usar nuestros azúcares como alimento. E. coli y cultivarlos en cultivos ”, dijo Cestellos-Blanco, refiriéndose a las bacterias de laboratorio más comunes y bacterias avanzadas para la ingeniería genética.

Con los nuevos fondos de la NASA, los investigadores planean mejorar el rendimiento de formaldehído y glicolaldehído utilizando sus procesos electroquímicos separados. Actualmente, el glicolaldehído es un producto menor en su proceso electroquímico, pero afortunadamente solo se necesita en pequeñas cantidades en la reacción de la formosa. El ingrediente principal requerido es el formaldehído. Con estos químicos en la mano, la reacción de la formosa es muy eficiente para convertir todos los átomos de carbono en carbonos dulces.

“Al seguir una ruta en cascada inspirada en la naturaleza, hemos hecho un buen uso de nuestra experiencia en CO.₂ reciclaje para abrir una puerta a la producción abiótica de azúcares, presentando un enfoque para lograr la producción de azúcar renovable ”, dijo Cestellos-Blanco. «Usando electricidad y CO₂ y agua, creemos que nuestros hallazgos se pueden utilizar para planificar la exploración del espacio profundo.

Cestellos-Blanco dijo que estaba gratamente sorprendido de que su equipo se hubiera colocado entre los tres primeros del CO₂ Desafío de conversión después de dos rondas de presentación de propuestas e informes, entrevistas con un panel de jueces y una visita in situ, considerando que han comenzado a saber muy poco sobre formas no orgánicas de corregir el CO₂ en moléculas complejas, como azúcares.

«Conversión de CO₂ directo al azúcar es una tarea bastante larga que nunca antes se había demostrado, y no solo querían que demostraras que puedes hacerlo, sino también en unas pocas horas, un período de tiempo relativamente corto ”, dijo. “Ya se han señalado las diferentes partes de nuestro proceso, pero nadie sabía que se podían unir y básicamente encontrar una manera de producir azúcares útiles a partir de CO.₂. «

Cestellos-Blanco está especialmente emocionado de que el proceso involucre una antigua reacción química que puede haber llevado a la vida en el universo.

«Creo que la parte más interesante para mí es que combinamos dos tipos de CO₂ conversión – electrocatálisis de CO₂ para formar formaldehído y glicolaldehído, con algo, la reacción de la formosa, que se considera principalmente importante para el origen de la vida ”, dijo.

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