Científicos de la Universidad Estatal de Pensilvania han descubierto un nuevo mecanismo por el que las bacterias pueden seleccionar entre distintos elementos de tierras raras, utilizando la capacidad de una proteína bacteriana para unirse a otra unidad de sí misma, o «dimerizarse», cuando se une a ciertas tierras raras, pero prefiere permanecer como una sola unidad, o «monómero», cuando se une a otras.
Al averiguar cómo funciona este apretón de manos molecular a nivel atómico, los investigadores han encontrado una forma de separar estos metales similares entre sí de forma rápida, eficaz y en condiciones normales de temperatura ambiente.
En su opinión, esta estrategia podría conducir a prácticas de extracción y reciclaje más eficientes y ecológicas para todo el sector tecnológico.
«La biología consigue diferenciar las tierras raras de todos los demás metales que existen, y ahora podemos ver cómo incluso diferencia entre las tierras raras que le resultan útiles y las que no», afirma en un comunicado Joseph Cotruvo Jr, autor principal del artículo de Nature sobre el descubrimiento. «Estamos demostrando cómo podemos adaptar estos enfoques para la recuperación y separación de tierras raras».
Cotruvo explicó que los elementos de tierras raras, que incluyen metales lantánidos, son de hecho relativamente abundantes, pero están dispersos.
«Si se pueden cosechar tierras raras de dispositivos que ya tenemos, entonces puede que no dependamos tanto de su extracción en primer lugar», dijo Cotruvo.
Extracción y reciclaje
El problema es que, independientemente de la fuente, el reto de separar unas tierras raras de otras para obtener una sustancia pura persiste.
«Tanto si se extraen metales de rocas como de dispositivos, sigue siendo necesario realizar la separación. Nuestro método, en teoría, es aplicable a cualquier forma de extracción de tierras raras», afirma.
Las prácticas convencionales de separación de tierras raras requieren el uso de grandes cantidades de productos químicos tóxicos como queroseno y fosfonatos, similares a los productos químicos que se utilizan habitualmente en insecticidas, herbicidas y retardantes de llama. El proceso de separación requiere docenas o incluso cientos de pasos, utilizando estos productos químicos altamente tóxicos, para conseguir óxidos individuales de tierras raras de gran pureza.
«Hay que extraerlos de la roca, que es una parte del problema, pero para la que existen muchas soluciones», explica Cotruvo. «Pero, una vez fuera, surge un segundo problema: hay que separar varias tierras raras entre sí. Éste es el mayor y más interesante reto, discriminar entre las tierras raras individuales porque son muy parecidas. Hemos tomado una proteína natural, que llamamos lanmodulina o LanM, y la hemos diseñado para que haga precisamente eso».
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Los bichos
Cotruvo y su laboratorio recurrieron a la naturaleza para encontrar una alternativa al proceso convencional de separación basado en disolventes, porque la biología ya lleva milenios cosechando y aprovechando el poder de las tierras raras, especialmente en una clase de bacterias llamadas «metilótrofas» que suelen encontrarse en las hojas de las plantas y en el suelo y el agua y desempeñan un papel importante en la forma en que el carbono se desplaza por el medio ambiente.
Hace seis años, el laboratorio aisló la lanmodulina de una de estas bacterias y demostró que su capacidad para unirse a los lantánidos era 100 millones de veces superior a la de metales comunes como el calcio. En trabajos posteriores, demostraron que era capaz de purificar las tierras raras como grupo a partir de docenas de otros metales en mezclas demasiado complejas para los métodos tradicionales de extracción de tierras raras. Sin embargo, la proteína no era tan buena discriminando entre las tierras raras individuales.
Cotruvo explicó que, para el nuevo estudio, el equipo identificó cientos de proteínas naturales parecidas a la primera lanmodulina, pero se centró en una que era lo suficientemente diferente (un 70%) como para sospechar que tendría propiedades distintas. Esta proteína se encuentra de forma natural en una bacteria (Hansschlegelia quercus) aislada de yemas de roble inglés.
Los investigadores descubrieron que la lanmodulina de esta bacteria mostraba una gran capacidad para diferenciar entre tierras raras. Sus estudios indicaron que esta diferenciación procedía de la capacidad de la proteína para dimerizarse y realizar una especie de apretón de manos. Cuando la proteína se une a uno de los lantánidos más ligeros, como el neodimio, el apretón de manos (dímero) es fuerte. En cambio, cuando la proteína se une a un lantánido más pesado, como el disprosio, el apretón de manos es mucho más débil, de modo que la proteína favorece la forma monomérica.
«Esto fue sorprendente porque estos metales son muy similares en tamaño», dijo Cotruvo. «Esta proteína tiene la capacidad de diferenciar a una escala inimaginable para la mayoría de nosotros: unas trillonésimas de metro, una diferencia que es inferior a la décima parte del diámetro de un átomo».
Para visualizar el proceso a una escala tan pequeña, los investigadores utilizaron cristalografía de rayos X, que permite obtener imágenes moleculares de alta resolución.
Determinaron que la capacidad de la proteína para dimerizarse en función del lantánido al que estaba unida se reducía a un único aminoácido -el 1% de toda la proteína- que ocupaba una posición diferente con el lantano (que, como el neodimio, es un lantánido ligero) que con el disprosio.
Como este aminoácido forma parte de una red de aminoácidos interconectados en la interfaz con el otro monómero, este cambio alteró la forma en que interactuaban las dos unidades proteicas. Cuando se eliminó un aminoácido clave en esta red, la proteína fue mucho menos sensible a la identidad y el tamaño de las tierras raras. Los resultados revelaron un nuevo principio natural para ajustar las separaciones de tierras raras, basado en la propagación de diferencias minúsculas en el lugar de unión de las tierras raras a la interfaz del dímero.
Utilizando estos conocimientos, los colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore demostraron que la proteína podía unirse a pequeñas perlas en una columna y que podía separar los componentes más importantes de los imanes permanentes, el neodimio y el disprosio, en un solo paso, a temperatura ambiente y sin disolventes orgánicos.
Cotruvo cree que el concepto de unir tierras raras en una interfase molecular, de modo que la dimerización dependa del tamaño exacto del ion metálico, puede ser un enfoque poderoso para lograr separaciones difíciles.
«Esto es la punta del iceberg», afirma. «Con una mayor optimización de este fenómeno, el problema más difícil de todos -la separación eficaz de tierras raras que están justo al lado unas de otras en la tabla periódica- podría estar al alcance de la mano».
Noticia tomada de: MINING / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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