Investigadores españoles y del MIT avanzan en la elaboración de cereales capaces de captar nitrógeno para crear biomasa

Aplicado al campo de los cereales, esto contribuiría a reducir la fertilización nitrogenada en los países desarrollados y a aumentar la producción de los agricultores de los países en desarrollo de África y Asia. Esta investigación forma parte de un proyecto financiado por la Fundación Bill & Melinda Gates.

Aunque el nitrógeno es el principal componente de la atmósfera, es biológicamente inactivo para plantas, hongos y animales. Sólo algunas bacterias llamadas diazótrofos son capaces de convertir gas nitrógeno en amoniaco, que luego es utilizado por ellas mismas y otros organismos vivos para crear biomasa, gracias a que usan una enzima de dos componentes llamada nitrogenasa, de la que carece las plantas. Por lo tanto, los diazótrofos son los principales productores de nitrógeno biológicamente activo en todos los ecosistemas.

En los países desarrollados, los sistemas agrícolas se basan principalmente en cultivos de cereales, que proporcionan alrededor del 60% de la energía en la dieta. La disponibilidad de nitrógeno y agua son los factores más importantes que limitan la productividad de estos cultivos. A diferencia de las leguminosas, los cereales son incapaces de formar simbiosis con diazótrofos y su producción está ligada a la aplicación de fertilizantes nitrogenados.

Durante los últimos cien años, los rendimientos de los cultivos de cereales se han incrementado mediante la adición de este tipo de fertilizantes sintetizados químicamente, lo que supone un coste superior a los 100.000 millones de dólares anuales. Además, el uso omnipresente de fertilizantes nitrogenados en los países desarrollados ha degradado el medio ambiente a una situación a veces incompatible con la vida animal en los ecosistemas marinos. Y, por otro lado, el alto coste y la limitada disponibilidad de fertilizantes químicos impiden que sean utilizados por pequeños agricultores de países pobres, lo que provoca hambre y pobreza derivados de los bajos rendimientos de los cultivos.

Para resolver el denominado 'problema del nitrógeno', el equipo liderado por el profesor Luis Rubio, del CBGP trabaja en la transferencia de genes de nitrogenasa a las plantas. De este modo, se pretende generar plantas diazotróficas y, por tanto, cultivos mucho menos dependientes de los fertilizantes sintéticos de nitrógeno. Este es, hoy en día, uno de los desafíos más difíciles de la biotecnología vegetal. Debido a que la nitrogenasa es destruida por el oxígeno, se ha asumido desde hace mucho tiempo que no funcionaría en las células de plantas, animales u hongos, puesto que todas ellas usan oxígeno para obtener energía. Tal incompatibilidad sería aún mayor en las células vegetales que producen oxígeno como resultado de la fotosíntesis.

Un resultado reciente --publicado en 'Nature Communications'-- del laboratorio del profesor Rubio demostró que el componente más sensible al oxígeno de la nitrogenasa sí que funciona en la levadura --hongo utilizado como modelo para acelerar los resultados--, siempre y cuando se mantenga dentro de las mitocondrias, el organelo intracelular responsable de la respiración dependiente de oxígeno.

Pero en este nuevo trabajo --que se publica en ACS Synthetic Biology, una publicación de la Sociedad Estadounidense de Química (ACS, por sus siglas en inglés)--, desarrollado en colaboración con el profesor del MIT Christopher Voigt, han logrado dar un paso más, ya que han conseguido transferir y controlar la expresión de nueve genes (nif) al genoma de la levadura.

Y, además, han demostrado la correcta formación del otro componente de la nitrogenasa en las mitocondrias, lo que supone un avance esencial hacia el ensamblaje total de esta enzima. Finalmente, el estudio también concluyó que la nitrogenasa no era totalmente funcional, y que para obtener la nitrogenasa mitocondrial activa es necesario bioingeniería adicional.

Según afirma Luis Rubio, esta investigación contribuirá a reducir la fertilización nitrogenada en los países desarrollados y a aumentar la producción de cereales para los agricultores de los países en desarrollo de África y Asia. "Aunque aún queda mucho por hacer", indica.