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Desarrollan bacterias genéticamente modificadas que fertilizan plantas

Los fertilizantes industriales ayudan a alimentar a miles de millones de personas cada año, pero permanecen fuera del alcance de muchos de los agricultores más pobres del mundo. Ahora, investigadores han desarrollado microorganismos que, cuando se añaden al suelo, producen fertilizantes según la necesidad, produciendo plantas que crecen 1,5 veces más que los cultivos no expuestos a estos organismos u otros fertilizantes sintéticos. El avance, informado esta semana en una reunión de la Sociedad Americana de Química, podría ayudar a los agricultores en las partes más pobres del mundo a aumentar sus cosechas y combatir la desnutrición crónica.

Un componente clave del fertilizante es el nitrógeno, un elemento esencial para construir todo, desde el ADN hasta las proteínas. El nitrógeno está a nuestro alrededor, y comprende el 80% del aire que respiramos. Pero ese nitrógeno es inerte, ligado en moléculas que las plantas y las personas no pueden acceder. Algunos microbios han desarrollado proteínas llamadas nitrogenasas que pueden dividir moléculas de nitrógeno en el aire y soldar ese nitrógeno al hidrógeno para hacer amoníaco y otros compuestos que las plantas pueden absorber para obtener su nitrógeno.

El proceso industrial para la fabricación de fertilizantes, inventado hace más de un siglo por un par de químicos alemanes (Fritz Haber y Carl Bosch) lleva a cabo ese mismo tejido molecular. Pero el proceso de Haber-Bosch, como se conoce ahora, requiere altas presiones y temperaturas para trabajar. También requiere una fuente de hidrógeno molecular (H2), típicamente metano, que es el principal componente del gas natural. El metano en sí no es muy caro, pero la necesidad de construir plantas químicas masivas para convertir metano y nitrógeno en amoníaco, así como la enorme infraestructura necesaria para distribuirlo, impide que muchos países pobres tengan fácil acceso a los fertilizantes.

Hace unos años, los investigadores dirigidos por el químico Daniel Nocera de la Universidad de Harvard idearon lo que llaman una hoja artificial que utiliza un semiconductor combinado con dos catalizadores diferentes para capturar la luz solar y utilizar esa energía cosechada para dividir las moléculas de agua (H2O) en H2 y oxígeno (O2). En ese momento, el grupo de Nocera se centró en usar el hidrógeno capturado como un combustible químico, que puede ser quemado directamente o llevado a través de un dispositivo de celda de combustible para producir electricidad. Pero el año pasado, Nocera informó que su equipo había modificado una bacteria llamada Ralstonia eutropha para alimentarse del H2 y del dióxido de carbono (CO2) del aire y así combinarlos para producir combustibles hidrocarbonados. El siguiente paso, dice Nocera, fue ampliar el alcance de su trabajo mediante la ingeniería de otro tipo de bacteria para tomar nitrógeno del aire y hacer fertilizantes.

Nocera y sus colegas se dirigieron a un microbio llamado Xanthobacter autotrophicus, que naturalmente alberga una enzima nitrogenasa. Pero todavía necesitaban una forma de proporcionar a los organismos con una fuente de H2 para hacer amoníaco. Así que modificaron genéticamente a Xanthobacter, dándoles una enzima llamada hidrogenasa, que les permite alimentarse de H2 para producir una forma de energía celular llamada ATP. Luego usan ese ATP, H2 adicional y CO2 del aire para sintetizar un tipo de bioplástico llamado polihidroxibutirato, o PHB, que pueden almacenar en sus cuerpos.

Aquí es donde entra en acción la enzima nitrogenasa de los microbios. Las bacterias recogen H2 de su almacén de PHB y utilizan su nitrogenasa para combinarla con nitrógeno del aire para producir amoníaco, el material de partida para el fertilizante. No sólo funciona en el laboratorio: Nocera informó en la reunión del lunes 2 de abril que cuando él y sus colegas pusieron su Xanthobacter modificada en solución y utilizaron esa solución en cultivos de rábanos, las verduras crecieron 150% más que los controles que no recibieron ni estos organismos u otros fertilizantes.

Leif Hammarström, químico de la Universidad de Uppsala en Suecia, que también trabaja en la fabricación de combustibles a partir de energía solar, dice que estaba impresionado con el trabajo. Hacer amoníaco sin usar un proceso industrial “es una química muy desafiante”, dice. “Este es un buen enfoque”. Incluso puede ser uno que podría ayudar a muchos de los pobres del mundo. Nocera dice que Harvard ha licenciado la propiedad intelectual de la nueva tecnología al Instituto de Tecnología Química de Mumbai, India, que está trabajando para ampliar la tecnología para uso comercial en todo el mundo.

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