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Tierras raras y bacterias extremófilas

Averiguan por qué una especie de bacteria necesita de tierras raras en el medio en donde crece para poder sobrevivir.

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La tabla periódica de los elementos nos permite saber las propiedades de cualquier elemento de un vistazo. Aquellos que, por ejemplo, están en la misma columna tienen propiedades químicas similares. Pero todo estudiante de Química que se enfrenta a la tabla por primera vez no deja de ver un grave inconveniente en su perfección. Cada columna se diferencia de la siguiente por el aumento en una unidad en el número atómico del elemento que cada fila, pero hay una excepción: los lantánidos y actínidos (metales de transición) introducen un salto de 15 números atómicos después del bario y radio respectivamente. Esto crea un bloque extra que hay que poner “fuera” del bloque principal de la tabla.
La explicación a esto, y a todas las propiedades químicas de los elementos, viene dada por la Mecánica Cuántica, que explica cómo se disponen por capas de los electrones que forman los orbitales. Cada fila completa de la tabla consigue llenar una capa y en cada columna de la tabla queda el mismo número de electrones sin completar su capa.
Salvo que nos dediquemos a la Física Nuclear, los elementos del grupo de los actínidos no son muy adecuados para jugar con ellos, pues son, en general, radiactivos. Pero los lantánidos son elementos muy interesantes que forman parte de un grupo aún mayor: las tierras raras. Las tierras raras están formadas por los lantánidos más el itrio y el escandio, que son los elementos que están justo por encima en la misma columna de la tabla periódica. Por tanto, las tierras raras, esos elementos entre dos mundos, tienen propiedades similares al estar en la misma columna, pero no idénticas.
El nombre de tierras raras siempre lleva a confusión, pues en un principio se tomó “raras” como sinónimo de “escasas”, pero no es así siempre. Algunos de esos elementos son relativamente escasos, pero otros, como el praseodimio, el itrio o el cerio, son más abundantes. Hay menos oro o platino en la corteza terrestre que tierras raras. Por desgracia, estos elementos están distribuidos de una manera muy dispersa en la corteza terrestre y sólo en unos pocos sitios su concentración hace que merezca la pena su explotación minera.
Cuando uno se pasea por los lantánidos no tiene más remedio que reconocer el poder de las palabras, de como una combinación de consonantes y vocales produce sonidos de reminiscencias mágicas y ancestrales que nos recuerdan la Alquimia, aunque procedan del XIX. Posiblemente los nombres de elementos más bonitos y misterioso se encuentran entre ellos: lantano, cerio, praseodimio, neodimio, prometio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio y lutecio. Quizás el neurólogo Vilayanur S. Ramachandran explique algún día esta sonoridad.
Todos estos elementos se encuentran en la corteza terrestre, pero uno de ellos, el prometio, no se ha podido aislar en la naturaleza, sino que se genera como consecuencia del decaimiento radiactivo o de la fisión nuclear. No se conocen isótopos suyos que no sean radiactivos.
Debido a sus similares propiedades químicas, algunas tierras raras son muy difíciles de aislar de las demás y muchas veces su alto precio no depende tanto de su abundancia, sino de lo caro que resulta su separación y purificación.
Las tierras raras son las “especias” que se usan para “cocinar” la tecnología moderna, sobre todo en aplicaciones magnéticas. Están en pequeñas cantidades en nuestros teléfonos móviles (principalmente en sus condensadores de tántalo), en láseres de infrarrojo, en los imanes de neodimio de los motores eléctricos que más nos hacen ahorrar energía, en aplicaciones fluorescentes de europio, etc.
La corrección política ha acusado a la explotación del coltan (roca rica en tierras raras) del Congo de generar guerras y los graves problemas humanos y ecológicos de la zona, haciendo que aquellos que usan teléfonos móviles se sientan culpables. Pero la realidad es que en Australia, Brasil o Canadá también se extrae coltán y no hay guerras por su culpa. Por desgracia, hay regiones y culturas en las que cualquier excusa es buena para matar o explotar al semejante (no necesariamente en África). Es nuestro deber tratar de impedirlo y proteger el medio ambiente en el que se encuentran.
Los últimos gorilas no desaparecen por culpa del uso que hacemos de los móviles, sino por culpa de nuestra estulticia, ignorancia, la tolerada desigualdad y el mal ordenamiento de nuestras prioridades. Así que, amigo lector, puede seguir usando su smarphone sin sentirse culpable. Bueno, salvo si se conecta con él al inmoral Facebook, claro.
Esta larga introducción nos sirve tanto para establecer cierta conexión biológica como para poder sorprendernos con fundamento de un descubrimiento interesante. Algunas bacterias no pueden vivir sin tierras raras y unos científicos del Instituto Max Planck han explicado por qué.
Los átomos que componen la vida en la Tierra son los átomos químicamente activos más abundantes del Universo (el helio, al ser noble, es inútil en aplicaciones químicas, pese a su abundancia en el Universo). Al formarse la vida, esta simplemente aprovecho los elementos que había en el medio. Somos átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno bien organizados. También hay otros elementos en la vida terrestre menos abundantes como azufre, fósforo, magnesio, calcio, sodio, potasio y cloro. Luego hay elementos más raros, como el hierro de nuestra sangre, el cobre que forma parte de la hemocianina (análogo de la hemoglobina) de crustáceos y moluscos o el manganeso de ciertas enzimas.
Pero la vida se organiza para aprovechar cualquier recurso. Así por ejemplo, se descubrió que la bacteria Methylacidiphilum fumariolicum requiere de lantano, cerio, praseodimio o neodimio para vivir. Ahora se sabe que es para usarlos como cofactores en la enzima metanol deshidrogenasa. Esta enzima es muy importante para el microorganismo porque le permite producir energía.
Al parecer el empleo de estos elementos está mucho más extendido entre las bacterias de lo que se había pensado hasta ahora e incluso son indispensables para algunas de ellas.
El uso de tierras raras en los organismos vivos es raro, pues estos elementos se disuelven mal en agua y la mayoría de los organismos no pueden usarlos en su metabolismo. La sorpresa saltó en el cráter Solfatara (Italia), en donde hay una poza de barro volcánico caliente. Allí unos microbiólogos holandeses encontraron que una bacteria, Methylacidiphilum fumariolicum, no podía vivir sin tierras raras.
Methylacidiphilum fumariolicum pertenece a un grupo de bacterias extremófilas que viven en un pH ácido de entre 2 y 5 (toleran incluso un pH=1, que es equivalente al ácido sulfúrico concentrado) y a temperaturas entre los 50 y 60 grados centígrados. Estas condiciones son letales para la mayoría de los organismos terrestres, pero no para estas bacterias.
Los investigadores holandeses descubrieron que M. fumariolicum sólo puede vivir en el barro volcánico de donde procede. Si se trata de cultivar este microorganismo en un medio con todos los recursos necesarios, excepto las tierras raras, entonces se obtiene un fracaso.
El barro en cuestión contiene una concentración en tierras raras que es miles de veces superior al habitual, pero no se sabía la razón última de esta dependencia de tierras raras por parte de la bacteria.
En general las deshidrogenasas son enzimas capaces de catalizar la oxidación o reducción de un sustrato por sustracción o adición de átomos de hidrógeno. Este organismo obtiene su energía del metano, usando la enzima metanol deshidrogenasa para descomponer el metanol producido a partir del metano en descomposición. Pero esta enzima necesita de un cofactor. En general este papel de cofactor es desempeñado por el calcio en otras bacterias, pero en este caso es desempeñado por ciertas tierras raras.
Los científicos alemanes del Max Planck Thomas Barends y Andreas Dietl han investigado la estructura tridimensional de esta enzima metanol deshidrogenasa (ver imagen). Como se puede ver, en lugar del típico átomo de calcio hay una tierra rara. La bacteria necesita de esa enzima para obtener energía a partir del metano. Sin tierras raras no hay tal versión de la enzima y, por tanto, no hay manera de obtener energía y la bacteria muere.
Análisis bioquímicos posteriores sugieren que esta versión de enzima con tierras raras está más extendida de lo que se creía, por ejemplo en bacterias costeras. También se ha encontrado en bacterias del metano que viven en la superficie de las hojas de algunas plantas. La planta enriquece sus hojas con tierras raras y así garantiza la supervivencia de la bacteria.
Según Barends esta clase de bacteria posiblemente esté en cualquier parte en donde haya suficiente aporte de arena, pues la arena es una fuente de tierras raras.
Las bacterias llevan miles de millones de años sobre la Tierra, han evolucionado para adaptarse a casi cualquier lugar y recurso. Ahora sabemos que, al igual que nosotros con nuestros móviles, también usan tierras raras.
Todo esto también nos sugiere que otras vidas, aunque también estén basadas en la química del carbono, pueden ser muy distintas a la terrestre. Si la vida terrestre nos depara continuamente sorpresas no podemos ni imaginar cómo será en otros planetas lejanos.
Hace mucho tiempo unas estrellas de neutrones chocaron y sembraron de elementos pesados el Cosmos circundante. Algunos de esos elementos fueron lantano, cerio, praseodimio o neodimio. Más tarde, bacterias exóticas usaron estos elementos en la Tierra en el barro caliente de un cráter volcánico casi olvidado. Otros los usamos en imanes potentes o láseres luminosos. También los empleamos en teléfonos con los que nos contamos alegrías y penas mientras que otros humanos caen baleados o se extinguen los últimos gorilas del Congo. Nos maravillamos con la fonética de las palabras y, a la vez, soñamos sobre cómo puede ser la inalcanzable vida sobre hipotéticos planetas situados a muchos años luz de nosotros.
Todo está conectado y al averiguarlo algunos simplemente sentimos cierto placer intelectual. A veces sólo eso es suficiente.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa. [2]
Artículo original. [3]
Ilustración: MPI f. Medical Research/Barends