Una forma más eficiente y rentable de detectar lantánidos, los metales de tierras raras utilizados en teléfonos inteligentes y otras tecnologías, podría ser posible con un nuevo sensor basado en proteínas que cambia su fluorescencia cuando se une a estos metales. Un equipo de investigadores de Penn State desarrolló el sensor a partir de una proteína que describieron recientemente y posteriormente lo utilizó para explorar la biología de las bacterias que usan lantánidos. Un estudio que describe el sensor aparece en línea en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

"Los lantánidos se utilizan en una variedad de tecnologías actuales, incluidas las pantallas y la electrónica de los teléfonos inteligentes, baterías de coches eléctricos, satélites y láseres, "dijo Joseph Cotruvo, Jr., profesor asistente y profesor de desarrollo profesional Louis Martarano de Química en Penn State y autor principal del estudio. "Estos elementos se llaman tierras raras, e incluyen elementos químicos de peso atómico 57 a 71 en la tabla periódica. Las tierras raras son difíciles y costosas de extraer del medio ambiente o de muestras industriales. como aguas residuales de minas o productos de desecho del carbón. Desarrollamos un sensor a base de proteínas que puede detectar pequeñas cantidades de lantánidos en una muestra, haciéndonos saber si vale la pena invertir recursos para extraer estos importantes metales ".

El equipo de investigación rediseñó un sensor fluorescente utilizado para detectar calcio, Sustituyendo la parte del sensor que se une al calcio con una proteína que descubrieron recientemente que es varios millones de veces mejor para unirse a los lantánidos que otros metales. La proteína sufre un cambio de forma cuando se une a los lantánidos, que es clave para que la fluorescencia del sensor se "encienda".

"El estándar de oro para detectar cada elemento que está presente en una muestra es una técnica de espectrometría de masas llamada ICP-MS, ", dijo Cotruvo." Esta técnica es muy sensible, pero requiere instrumentación especializada que la mayoría de los laboratorios no tienen, y no es barato. El sensor basado en proteínas que desarrollamos nos permite detectar la cantidad total de lantánidos en una muestra. No identifica cada elemento individual, pero se puede hacer de forma rápida y económica en el lugar del muestreo ".

El equipo de investigación también usó el sensor para investigar la biología de un tipo de bacteria que usa lantánidos, la bacteria a partir de la cual se descubrió originalmente la proteína de unión a los lantánidos. Estudios anteriores habían detectado lantánidos en el periplasma de la bacteria, un espacio entre las membranas cerca del exterior de la célula, pero usando el sensor, el equipo también detectó lantánidos en el citosol de la bacteria, el líquido que llena la célula.

"Descubrimos que el más ligero de los lantánidos (el lantano a través del neodimio en la tabla periódica) ingresa al citosol, pero los mas pesados ​​no ", dijo Cotruvo." Todavía estamos tratando de entender exactamente cómo y por qué es así, pero esto nos dice que hay proteínas en el citosol que manejan los lantánidos, que no sabíamos antes. Comprender qué hay detrás de esta alta selectividad de absorción también podría ser útil para desarrollar nuevos métodos para separar un lantánido de otro. que actualmente es un problema muy difícil ".

El equipo también determinó que la bacteria ingiere lantánidos de manera muy similar a como muchas bacterias ingieren hierro; segregan pequeñas moléculas que se unen fuertemente al metal, y todo el complejo se lleva a la celda. Esto revela que hay pequeñas moléculas que probablemente se unen a los lantánidos incluso con más fuerza que el sensor altamente selectivo.

"Esperamos seguir estudiando estas pequeñas moléculas y cualquier proteína en el citosol, que podría terminar siendo mejor para unirse a los lantánidos que la proteína que usamos en el sensor, ", dijo Cotruvo." Investigar cómo cada uno de estos se une e interactúa con los lantánidos puede darnos inspiración sobre cómo replicar estos procesos al recolectar lantánidos para su uso en las tecnologías actuales ".

Además de Cotruvo, el equipo de investigación incluye a Joseph Mattocks y Jackson Ho en Penn State.