Un equipo de investigadores desarrolló el sensor a partir de una proteína que describió recientemente y luego lo utilizó para explorar la biología de las bacterias que usan lantánidos. El sensor podría ofrecer una forma más eficiente y rentable de detectar metales de tierras raras.
«Los lantánidos se utilizan en diversas tecnologías actuales, como las pantallas y los componentes electrónicos de los teléfonos inteligentes, las baterías de los coches eléctricos, los satélites y los láseres», afirma Joseph Cotruvo, Jr., profesor de Química en Penn State y autor principal del estudio.
«Estos elementos se denominan tierras raras e incluyen los elementos químicos con números atómicos del 57 al 71 en la tabla periódica. Extraer tierras raras del entorno o de muestras industriales, como las aguas residuales de las minas o los residuos de carbón, es difícil y costoso.
«Desarrollamos un sensor basado en proteínas que puede detectar cantidades ínfimas de lantánidos en una muestra y así saber si merece la pena invertir recursos en extraer estos metales importantes».
El equipo de investigación modificó un sensor fluorescente capaz de detectar calcio y sustituyó la parte que se une al calcio por una proteína que descubrieron recientemente y que se une a los lantánidos varios millones de veces mejor que a otros metales. La proteína cambia de forma cuando se une a los lantánidos, un proceso clave para que se «encienda» la fluorescencia del sensor.
«El método de referencia para detectar cada elemento presente en una muestra es una técnica de espectrometría de masas llamada ICP-MS», afirma Cotruvo.
«Esta técnica es muy sensible, pero requiere instrumental especializado que la mayoría de los laboratorios no tiene y no es barata. El sensor basado en proteínas que desarrollamos nos permite detectar la cantidad total de lantánidos en una muestra. No identifica cada elemento por separado, pero permite hacerlo de forma rápida y económica en el lugar donde se toma la muestra».
El equipo de investigación también utilizó el sensor para estudiar la biología de un tipo de bacteria que usa lantánidos: la bacteria en la que se descubrió originalmente la proteína que se une a los lantánidos. Estudios anteriores detectaron lantánidos en el periplasma de la bacteria —un espacio entre membranas cerca del exterior de la célula—, pero, con el sensor, el equipo también detectó lantánidos en el citosol de la bacteria, el líquido que llena la célula.
«Descubrimos que los lantánidos más ligeros —del lantano al neodimio en la tabla periódica— llegan al citosol, pero los más pesados no», afirma Cotruvo.
«Seguimos tratando de entender exactamente cómo y por qué ocurre, pero esto nos indica que hay proteínas en el citosol que se encargan de los lantánidos, algo que antes desconocíamos. Entender qué explica esta gran selectividad en la absorción también podría servir para desarrollar nuevos métodos que permitan separar un lantánido de otro, un problema que actualmente es muy difícil».
El equipo también determinó que las bacterias incorporan lantánidos de forma muy similar a como muchas bacterias incorporan hierro: secretan moléculas pequeñas que se unen firmemente al metal y la célula incorpora el complejo entero. Esto revela que probablemente hay moléculas pequeñas que se unen a los lantánidos aún más firmemente que el sensor, que es muy selectivo.
«Esperamos estudiar más a fondo estas moléculas pequeñas y las posibles proteínas del citosol, que podrían acabar uniéndose a los lantánidos mejor que la proteína que utilizamos en el sensor», afirma Cotruvo.
«Investigar cómo se une cada una de ellas a los lantánidos y cómo interactúa con ellos podría inspirarnos para reproducir estos procesos al recolectar lantánidos para usarlos en las tecnologías actuales».
La financiación del trabajo provino del departamento de Química de la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State y de los Institutos Huck de Ciencias de la Vida de Penn State.
