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Haciendo realidad un sueño biotecnológico: cultivos de cereales con fijación de nitrógeno

fijación de nitrógeno

La investigación realizada en el Laboratorio Voigt del MIT, en la cual están modificando mitocondrias y cloroplastos vegetales con genes de bacterias fijadoras de nitrógeno, podría eventualmente reemplazar la necesidad utilizar fertilizantes químicos nitrogenados para los cultivos de cereales.

A medida que aumenta la demanda de alimentos debido al crecimiento y el cambio de las poblaciones en todo el mundo, el aumento de la producción de cultivos ha sido un objetivo vital para los investigadores agrícolas y de los sistemas alimentarios que trabajan para garantizar que haya suficiente comida para satisfacer las necesidades mundiales en los próximos años. Un grupo de investigación del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) que se moviliza en torno a este desafío es el laboratorio Voigt en el Departamento de Ingeniería Biológica, dirigido por Christopher Voigt, Profesor de Biotecnología Avanzada en el MIT.

Durante los últimos cuatro años, el Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel (J-WAFS) ha financiado a Voigt con dos Subvenciones de Semillas J-WAFS. Con este apoyo, Voigt y su equipo están trabajando en un desafío de investigación significativo y de larga data: transformar los cultivos de cereales para que puedan fijar su propio nitrógeno.

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Fertilizante químico: como ayuda y daña

El nitrógeno es un nutriente clave que permite que las plantas crezcan. Las plantas como las leguminosas pueden proporcionar las suyas propias a través de una relación simbiótica con bacterias que son capaces de fijar el nitrógeno del aire y ponerlo en el suelo, que luego es captado por las plantas a través de sus raíces. Otros tipos de cultivos, incluidos los principales cultivos alimentarios como el maíz, el trigo y el arroz, generalmente dependen de fertilizantes adicionales para obtener nitrógeno, incluidos el estiércol, el compost y los fertilizantes químicos. Sin estos, las plantas que crecen son más pequeñas y producen menos grano.

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Más de 3.5 billones de personas hoy dependen de fertilizantes químicos para sus alimentos. El 80% de los fertilizantes químicos de nitrógeno en la actualidad se fabrican utilizando el proceso Haber-Borsch, que implica transformar el gas nitrilo en amoníaco. Si bien el fertilizante nitrogenado ha impulsado la producción agrícola en el siglo pasado, esto ha tenido algunos costos significativos.

Primero, el proceso de Haber-Borsch en sí mismo consume mucha energía y combustibles fósiles, lo que lo hace insostenible frente a un clima que cambia rápidamente. En segundo lugar, usar demasiado fertilizante químico produce contaminación por nitrógeno. La escorrentía de fertilizantes contamina los ríos y los océanos, lo que resulta en la proliferación de algas que sofocan la vida marina. Limpiar esta contaminación y pagar la salud pública y el daño ambiental le cuesta a los Estados Unidos US$157 mil millones anuales. Tercero, cuando se trata de fertilizantes químicos, hay problemas con la equidad y el acceso. Estos fertilizantes son producidos en el hemisferio norte por las principales naciones industrializadas, donde la potasa, un ingrediente principal, es abundante. Sin embargo, los costos de transporte son altos, especialmente para los países del hemisferio sur. Por lo tanto, para los agricultores de las regiones más pobres, esta barrera da como resultado un menor rendimiento del cultivo.

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Estos desafíos ambientales y sociales plantean grandes problemas, sin embargo, los agricultores aún necesitan aplicar nitrógeno para mantener la productividad agrícola necesaria para satisfacer las necesidades alimentarias del mundo, especialmente a medida que la población y el cambio climático estresan los suministros de alimentos del mundo. Por lo tanto, los fertilizantes son y seguirán siendo una herramienta crítica.

Pero, ¿podría haber otra manera?

La compatibilidad bacteriana de los cloroplastos y las mitocondrias

Esta es la pregunta que impulsa a los investigadores en el laboratorio de Voigt, mientras trabajan para desarrollar granos de cereales fijadores de nitrógeno. La estrategia que han desarrollado es apuntar a los genes específicos en las bacterias fijadoras de nitrógeno que operan simbióticamente con las legumbres, llamados genes nif.

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Estos genes causan la expresión de las estructuras de proteínas (grupos de nitrogenasa) que fijan el nitrógeno del aire. Si estos genes pudieran transferirse y expresarse con éxito en cultivos de cereales, ya no se necesitarían fertilizantes químicos para agregar el nitrógeno necesario, ya que estos cultivos podrían obtener nitrógeno por sí mismos.

Sin embargo, este trabajo de ingeniería genética ha sido considerado como un desafío técnico importante. La vía nif es muy grande e involucra muchos genes diferentes. Transferir cualquier gran grupo de genes es en sí mismo una tarea difícil, pero hay una complejidad adicional en esta vía particular. Los genes nif en los microbios están controlados por un sistema preciso de partes genéticas interconectadas. Para transferir con éxito las capacidades de fijación de nitrógeno de la vía, los investigadores no solo tienen que transferir los genes ellos mismos, sino también replicar los componentes celulares responsables de controlar la vía.

Esto lleva a otro desafío. Los microbios responsables de la fijación de nitrógeno en las legumbres son bacterias (procariotas) y, como explicó Eszter Majer, un postdoc en el laboratorio de Voigt que ha estado trabajando en el proyecto durante los últimos dos años, “la expresión génica es completamente diferente en las plantas , que son eucariotas “. Por ejemplo, los procariotas organizan sus genes en operones, un sistema de organización genética que no existe en los eucariotas, como las hojas de tabaco que el Voigt está usando en sus experimentos. La reingeniería de la vía nif en un eucariota equivale a una revisión completa del sistema.

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El laboratorio de Voigt ha encontrado una solución alternativa: en lugar de apuntar a la célula vegetal completa, apuntan a los orgánulos dentro de la célula, específicamente a los cloroplastos y las mitocondrias. Las mitocondrias y los cloroplastos tienen orígenes bacterianos antiguos y una vez vivieron independientemente fuera de las células eucariotas como procariotas. Hace millones de años, se incorporaron al sistema eucariota como orgánulos. Son únicos porque tienen sus propios datos genéticos y también han mantenido muchas similitudes con los procariotas modernos. Como resultado, son excelentes candidatos para la transferencia de nitrogenasa. Majer explica: “Es mucho más fácil transferir de un sistema procariota a un sistema similar a la procariota que rediseñar todo el camino e intentar transferirlo a un eucariota“.

Más allá de la estructura genética, estos orgánulos tienen atributos adicionales que los convierten en entornos adecuados para que funcionen los grupos de nitrogenasa. La nitrogenasa requiere mucha energía para funcionar y los cloroplastos y las mitocondrias ya producen grandes cantidades de energía, en forma de ATP, para la célula. La nitrogenasa también es muy sensible al oxígeno y no funcionará si hay demasiado en su entorno. Sin embargo, los cloroplastos en la noche y las mitocondrias en las plantas tienen niveles bajos de oxígeno, lo que los convierte en un lugar ideal para que la proteína nitrogenasa funcione.

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Un equipo internacional de expertos

Si bien el equipo encontró un enfoque ideado para transformar células eucariotas, su proyecto aún involucraba desafíos de ingeniería biológica altamente técnicos. Gracias a las subvenciones de J-WAFS, el laboratorio de Voigt ha podido colaborar con dos especialistas en universidades extranjeras para obtener experiencia crítica.

Uno fue Luis Rubio, profesor asociado que se enfoca en la bioquímica de la fijación de nitrógeno en la Universidad Politécnica de Madrid, España. Rubio es un experto en nitrógeno y química inspirada en el nitrógeno. La transformación del ADN mitocondrial es un proceso desafiante, por lo que el equipo diseñó un sistema de suministro de genes de nitrógenoasa usando levadura. Las levaduras son organismos eucarióticos fáciles de modificar y pueden usarse para dirigirse a las mitocondrias. El equipo insertó los genes de nitrogenasa en los núcleos de levadura, que luego se dirigen a las mitocondrias mediante fusiones de péptidos. Esta investigación dio como resultado el primer organismo eucariota que demostró la formación de proteínas estructurales de nitrogenasa.

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El laboratorio de Voigt también colaboró ​​con Ralph Bock, un experto en cloroplastos del Instituto Max Planck de Fisiología de las Plantas Moleculares en Alemania. Él y el equipo de Voigt han hecho grandes avances hacia el objetivo de los cultivos de cereales que fijan nitrógeno; en los próximos meses se publicarán los detalles de sus logros recientes en el avance de la ingeniería de cultivos de campo y la promoción del trabajo de fijación de nitrógeno.

Continuando en la búsqueda del sueño

El laboratorio de Voigt, con el apoyo de J-WAFS y la invaluable colaboración internacional que ha resultado, fue capaz de obtener resultados innovadores, acercándonos a la independencia de los fertilizantes a través de cereales fijadores de nitrógeno. Avanzaron en la focalización de nitrogenasas a las mitocondrias y pudieron expresar un tetrámero NifDK completo, una proteína clave en el grupo de las nitrogenasas, en las mitocondrias de levadura. A pesar de estos hitos, aún queda mucho trabajo por hacer.

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“El laboratorio de Voigt invierte en avanzar esta investigación para acercarse cada vez más al sueño de crear cultivos de cereales que fijen nitrógeno”, dice Chris Voigt. Con estos hitos en su haber, estos investigadores han hecho grandes avances y continuarán impulsando la realización de esta visión transformadora, que podría revolucionar la producción de cereales a nivel mundial.

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