Nuevas membranas ecológicas imitan a las células para limpiar agua y recuperar metales valiosos

Una novedosa tecnología inspirada en la naturaleza promete soluciones avanzadas para la purificación y el tratamiento de aguas.

En la naturaleza, las membranas de las células están equipadas con proteínas que actúan como auténticos “porteros bioquímicos”: abren o cierran el paso de moléculas, dejando entrar solo lo que es esencial y controlando rigurosamente la composición interna del entorno celular. Este mecanismo sofisticado permite que las células capten elementos vitales como el potasio o el sodio, pero bloqueen su entrada cuando alcanza concentraciones peligrosas.

Replicar —o incluso mejorar— esta capacidad de regulación en sistemas artificiales es el desafío que se ha propuesto un equipo interdisciplinar de científicos de la Northwestern University y la Universidad de Chicago (UChicago). Su investigación, presentada en la revista Nature Communications, aporta una nueva perspectiva sobre cómo transportar iones a través de membranas sintéticas imitando el funcionamiento de las naturales.

Según explica el químico George Schatz (Northwestern), el objetivo era construir sistemas artificiales que pudieran ajustar su permeabilidad como lo hacen los mecanismos biológicos. “Poder regular qué materiales atraviesan una membrana —y cuándo lo hacen— puede revolucionar la potabilización del agua y la extracción selectiva de compuestos valiosos o contaminantes de océanos, ríos y lagos”, afirma.

El avance radica en que es posible «afinar» las membranas para permitir el paso de ciertos iones en determinadas condiciones y bloquearlos en otras. Tal precisión facilitaría tecnologías más ecológicas y efectivas para el tratamiento de aguas, así como la recuperación de minerales estratégicos.

El mecanismo detrás del transporte iónico en canales diminutos no estaba del todo claro, hasta que Qinsi Xiong, del equipo teórico dirigido por Schatz, desarrolló desde cero un modelo que simula el paso de los iones por estos canales bidimensionales a escala de angstrom (una diez milmillonésima parte de un metro).

Experimentando con pequeñas cantidades de diferentes iones metálicos como plomo, cobalto o bario, el equipo descubrió que podía incrementar o restringir notablemente el paso de potasio a través de la membrana artificial. El resultado más sorprendente: solo un 1% más de iones de plomo duplicaba la cantidad de potasio transportado.

“El hallazgo más emocionante es cómo pequeñísimas fracciones de ciertos iones pueden modificar dramáticamente el transporte a través de canales minúsculos”, relata Mingzhan Wang, investigador en UChicago y coautor del trabajo.

Recuperar elementos valiosos

Los canales de transporte iónico funcionan como verdaderos túneles moleculares en las membranas celulares. En la versión artificial, al añadir iones de plomo, estos se enlazan a grupos acetato de las paredes del canal. Su carga positiva atrae a los iones cloruro (negativos), ralentizándolos hasta igualar su velocidad con la del potasio (positivo). Así, potasio y cloruro avanzan juntos formando pares de cloruro de potasio, eléctricamente neutros, lo que les permite atravesar la membrana sin obstáculos adicionales.

“Las moléculas neutras interactúan menos con su entorno, por lo que pueden desplazarse mucho más rápido”, apunta Schatz.

Pero el efecto del plomo puede anularse —o invertirse— añadiendo iones como cobalto o bario, que compiten por los mismos sitios en las paredes del canal. De este modo, se limita la formación de pares neutros y se vuelve a restringir el paso de potasio. “Basta cambiar la combinación de iones en el entorno para pasar de un efecto cooperativo (favorecedor) a uno inhibidor”, explica Xiong.

Comprender y controlar estos mecanismos a nivel fundamental permitirá diseñar dispositivos para eliminar contaminantes y recuperar elementos valiosos de las aguas, como el litio, esencial para baterías y cuya extracción hoy causa graves impactos ambientales.

Los investigadores planean probar si otros elementos pueden replicar o mejorar los efectos observados y si la técnica puede emplearse para filtrar otras sustancias críticas.

Según Wang, el estudio de los efectos de iones multivalentes en nanofluidica es aún un campo emergente, pero este nuevo protocolo abre la puerta a desarrollos futuros clave para la gestión sostenible del agua.