Investigadores del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (CBGP), centro de investigación creado por la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y el Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA/CSIC), han colaborado con la Universidad de Lleida-Agrotecnio (UdL-Agrotecnio) y la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA) para producir los primeros cereales transgénicos que expresan dos componentes clave de la nitrogenasa, la enzima que fija el nitrógeno atmosférico convirtiéndolo en amoníaco.

Cada componente se ha producido en una línea de planta transgénica distinta y se ha demostrado que es biológicamente activo in vitro o en plantas vivas. Estas plantas transgénicas aún no pueden fijar su propio nitrógeno porque se necesitan componentes adicionales para reconstruir la enzima nitrogenasa completa, pero el trabajo es pionero al demostrar por primera vez que es posible expresar estas proteínas altamente sensibles al oxígeno de forma estable en las plantas, y que las mismas proteínas conservan sus actividades.

Los cultivos necesitan nitrógeno para crecer y ser productivos, ya que este es uno de los principales componentes del ADN, las proteínas, la clorofila y las moléculas de almacenamiento de energía, como el adenosín trifosfato (ATP). La mayoría de los cultivos dependen de los suministros de nitrato y amonio procedentes de los fertilizantes sintéticos industriales, pero más de la mitad de ellos no se asimilan, percolando ríos y lagos como una importante fuente de contaminación.

Los cultivos de leguminosas, como los guisantes y las judías, albergan bacterias que convierten el gas nitrógeno directamente en amoníaco mediante una enzima llamada nitrogenasa. Este proceso se conoce como fijación biológica del nitrógeno. La introducción de genes de nitrogenasa en las plantas de cultivo proporcionaría la maquinaria necesaria para fijar el nitrógeno de forma independiente. Sin embargo, el proceso es extremadamente complejo porque se requieren muchas proteínas individuales diferentes, no sólo como componentes estructurales directos de la nitrogenasa, sino también proteínas accesorias necesarias para su ensamblaje y el suministro de energía. Además, los principales componentes proteicos son extremadamente sensibles al oxígeno.

Los investigadores superaron este cuello de botella crítico produciendo dinitrogenasa reductasa funcional (proteína Fe, NifH) y una maturasa del cofactor de la nitrogenasa (NifB) separadamente en líneas de arroz transgénicas. La investigación sobre la expresión de la nitrogenasa suele realizarse en plantas modelo de laboratorio. En cambio, al centrarse en el arroz, un importante cultivo básico que proporciona la principal o única fuente de calorías a más de 2.500 millones de personas en países en vías de desarrollo, la importancia y el impacto de los resultados de los estudios aumentan sustancialmente.

El profesor Luis Rubio, investigador principal del proyecto, explica la importancia de este trabajo: “Se trata de un gran avance de la bioingeniería, ya que derriba dos obstáculos técnicos y muestra el camino para generar cereales fijadores de nitrógeno”. El logro resuelve uno de los principales impedimentos para la fijación biológica del nitrógeno en los cultivos y sienta las bases para el ensamblaje de un complejo de nitrogenasa completo y funcional en las plantas.

Los trabajos posteriores para conseguir establecer plantas que contengan la nitrogenasa completa podrían tener un impacto duradero en la seguridad alimentaria mundial, tal y como explica Paul Christou, profesor de investigación ICREA y líder del proyecto en la Universidad de Lleida-Agrotecnio: “Una de las principales repercusiones del trabajo a largo plazo se daría en los países de ingresos bajos y medios, que no pueden permitirse los caros fertilizantes nitrogenados”.

El trabajo, que se ha publicado en dos revistas científicas de alto impacto, Communications Biology y American Chemical Society Synthetic Biology, forma parte de un programa de investigación financiado por una subvención de la Bill & Melinda Gates Foundation al profesor Luis Rubio.

^Referencias

^{Baysal, C., Burén, S., He, W., Jiang, X., Capell, T., Rubio, L.M., Christou, P. 2022. Functional expression of the nitrogenase Fe protein in transgenic rice. Communications Biology 5, 1–9. DOI: 10.1038/s42003-022-03921-9 He, W., Burén, S., Baysal, C., Jiang, X., Capell, T., Christou, P., Rubio, L.M. 2022. Nitrogenase Cofactor Maturase NifB Isolated from Transgenic Rice is Active in FeMo-co Synthesis. ACS Synthetic Biology. DOI: 10.1021/ acssynbio.2c00194}