Cultivos podrían fijar su propio nitrógeno con un revolucionario dispositivo

Foto cortesía de iStockphoto.
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Biólogos de la Universidad de Washington (Estados Unidos), están llevando a cabo un ambicioso proyecto para crear por medio de ingeniería, pequeños dispositivos que fijan el nitrógeno dentro de las células fotosintéticas.

Desde los albores de la agricultura, los productores han demostrado gran ingenio para suministrar más nitrógeno a sus campos de cultivo —desde sembrar leguminosas después de arar el subsuelo para eliminar el cultivo anterior, a esparcir estiércol humano y animal en los campos, a procurar heces de murciélago desde las islas del Pacífico, o nitrato de potasio desde las minas de Chile, y hasta mezclar gránulos de fertilizante sintético producido en plantas químicas con el arado.

Es por ello que los miembros del equipo de Himadri Pakrasi están muy entusiasmados con el proyecto que están realizando. De tener éxito, el aparato químico de fijación de nitrógeno será un dispositivo miniatura automático que podrá reubicarse dentro de la planta para que el nitrógeno esté disponible en el lugar y el momento en el que se le necesite — con toda precisión.

“Ese dispositivo revolucionaría la agricultura,” comenta Pakrasi, Director del Centro para Estudios Avanzados en Energía Renovable y Sustentabilidad, (I-CARES, por siglas en inglés) de la Universidad de Washington, St. Louis (EUA).

Ingeniería biológica
Aunque existe una abundancia de nitrógeno en la atmósfera, por la forma en la que se encuentra, no puede ser aprovechado por las plantas. El nitrógeno atmosférico debe “fijarse” o ser transformado en compuestos que lo pongan a disposición de las plantas.

Gran parte de la agricultura moderna confía en compuestos nitrogenados biológicamente disponibles, fabricados mediante un proceso industrial. Hoy en día, el fertilizante nos permite alimentar a un tercio más de la población que lo que el planeta pudiese sustentar sin un fertilizante sintético.

Sin embargo, Pakrasi piensa que tiene que ser posible diseñar un sistema que fije mejor el nitrógeno. Su idea es colocar el aparato de fijación del nitrógeno en células vegetales; las mismas celdas que contienen el aparato con el que capturan la energía de la luz solar.

Prueba de principios
A fin de comprobar los principios de su proyecto, Pakrasi y sus colegas planean desarrollar las herramientas biológicas sintéticas necesarias para extraer el sistema de fijación de nitrógeno de una especie de cianobacteria (un tipo de bacteria verde anteriormente considerada como alga) y pegarlo a una segunda cianobacteria que no fija el nitrógeno.

“Queremos tomar todo el aparato de fijación de nitrógeno (el cual evoluciona una sola vez) e introducirlo en las plantas. Debido a los requisitos de energía que exige la fijación de nitrógeno, queremos colocarlo en los cloroplastos, ya que es ahí donde se producen las moléculas que almacenan la energía ATP,” explica Pakrasi. En efecto, el objetivo es convertir todas las plantas, no sólo las leguminosas, en plantas fijadoras de nitrógeno.

Retos en la investigación
El mayor obstáculo para rediseñar el proceso de fijación de nitrógeno es que la fotosíntesis y la fijación de nitrógeno son procesos incompatibles. La fotosíntesis produce oxígeno como producto secundario, pero el oxígeno es tóxico para la nitrogenasa (la enzima que se necesita para fijar el nitrógeno). Por esa razón, la mayoría de los organismos que fijan nitrógeno trabajan en un ambiente anaeróbico (sin oxígeno).

Sin embargo, las cianobacterias que realizan la fotosíntesis y fijan el nitrógeno separan ambas actividades ya sea en el tiempo o en el espacio. “Cyanothece 51142” tiene un reloj biológico que le permite foto sintetizar durante el día y fijar nitrógeno durante la noche.

En el día, las células foto sintetizan tan rápido como pueden, almacenando en gránulos las moléculas de carbono que producen.  Después, durante la noche, queman las moléculas de carbono tan rápido como pueden. Este proceso consume todo el oxígeno de las célula, creando las condiciones anaeróbicas que se necesitan para fijar nitrógeno.

Por lo tanto, el ambiente dentro de la célula oscila diariamente entre las condiciones aeróbicas requeridas para capturar la energía de la luz solar y las condiciones anaeróbicas requeridas para fijar nitrógeno.

Los científicos esperan que este grupo de genes pueda ser transferido a otra cepa de cianobacterias en una sola megatransferencia. La hospedera que han seleccionado, “Synechocystis 6803,” es la cepa de cianobacterias mejor estudiada. No sólo se ha secuenciado su genoma, sino que es transformable de manera natural y puede integrar ADN extraño a su genoma intercambiándolo con hebras similares de ADN nativo.

Los científicos necesitarán ingeniárselas para conectar el grupo de genes fijadores de nitrógeno trasplantados con el reloj biológico de Synechocystis.
“Como todas las cianobacterias,” comenta Pakrasi, Synechocystis tiene un ritmo diurno y todavía no sabemos cómo irrumpir dentro de ese ritmo.”

 

Fuente: Nota de Prensa “Creating plants that make their own fertilizer,” por Diana Lutz, publicado por WU, agosto 2013.

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