¿Las plantas se autofertilizan?

Se trata de nitrógeno. Es esencial para la vida: un ingrediente básico del ADN y las proteínas. También constituye el setenta y ocho por ciento del aire que respiramos. Si pudiéramos extraer nitrógeno del aire y utilizarlo en nuestro cuerpo, sería bueno para nosotros. Pero los átomos de nitrógeno suelen venir en pares - N₂ Moléculas que nuestras células no pueden distinguir fácilmente. En cambio, obtenemos nitrógeno al comer plantas o al comer animales que comen plantas (o animales que comen animales que comen plantas).

Desafortunadamente, las plantas están en el mismo barco. Tampoco pueden utilizar directamente el nitrógeno atmosférico. De hecho, las únicas células en la Tierra que pueden hacer que el nitrógeno sea apetecible para las plantas y los animales son ciertos tipos de microbios. Estos microbios, llamados diazótrofos, utilizan nitrógeno N₂ Haciendo NH₃, también conocido como amoníaco. El nitrógeno de este amoníaco está listo para consumir. La vida de cada planta y animal de la Tierra depende del trabajo de los diazótrofos, que fijan suficiente nitrógeno para asegurar el funcionamiento de los mecanismos de la biosfera.

Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, los diazótrofos del mundo fijaron suficiente nitrógeno para satisfacer los apetitos humanos. Pero eso empezó a cambiar hace unos ciento veinte años. En 1898, William Crookes, presidente de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia, pronunció un sorprendente discurso inaugural. "Inglaterra y todos los países civilizados corren el peligro de quedarse sin alimentos", afirmó. "Nuestro suelo de cultivo de trigo no está a la altura de las tensiones a las que está sometido". Los suelos agrícolas suelen estar fortificados con fertilizantes que proporcionan nitrógeno y otros nutrientes a los cultivos. Pero Crooks señaló que los depósitos de nitrato de sodio de Chile, una fuente importante de nitrógeno beneficioso para las plantas, pronto disminuirán. Examinó varias fuentes de amoníaco sin explotar, incluidas la minería del carbón y las aguas residuales, pero ninguna funcionó.

"Hay un rayo de luz en medio de esta sombría oscuridad", dijo Crooks a su audiencia. "En su estado libre, el nitrógeno es uno de los cuerpos más abundantes y extendidos de la Tierra". Los científicos han estado tratando de fijar el nitrógeno atmosférico durante años, dijo, incluso haciendo pasar electricidad a través del aire. Los rayos fijan millones de toneladas de nitrógeno cada año. Pero poner un rayo en una botella resultó caro y difícil. "La fijación de nitrógeno atmosférico es uno de los grandes descubrimientos que esperan el ingenio de los químicos", afirmó.

Los delincuentes no tuvieron que esperar mucho. En 1909, el químico alemán Fritz Haber demostró un método incipiente pero escalable de perforación con N.₂ se convierte en amoníaco. Karl Bosch, de la empresa química y de pinturas BASF, industrializó el método Haber y ambos recibieron el Premio Nobel. Hoy en día, el proceso Haber-Bosch produce alrededor de doscientos millones de toneladas de amoníaco al año y ha permitido que la población humana alcance los ocho mil millones. Sin él, los cultivos requerirían cuatro veces más tierra que ahora, cubriendo la mitad de la masa terrestre libre de hielo de la Tierra.

La mitad del nitrógeno de tu cuerpo proviene del proceso de Haber-Bosch. Pero sus costos son enormes. La reacción tiene lugar a unos mil grados Fahrenheit y trescientas veces la presión atmosférica, utilizando entre el uno y el dos por ciento de la energía mundial. Los flujos de fertilizantes contaminan el medio ambiente. Sin embargo, las bacterias comunes de la suciedad fijan nitrógeno a lo largo del día. Inimaginable en la época de Crooks, los últimos avances en biotecnología ofrecen una nueva posibilidad: podemos extraer los mecanismos de estas bacterias y colocarlas dentro de las plantas. Algunos cultivos, como las legumbres, actúan como huéspedes de diazótrofos, que fijan nitrógeno desde el interior de la planta. Pero los cultivos de cereales, incluidos el trigo y el arroz, cultivos básicos para muchas personas en todo el mundo, dependen del nitrógeno del suelo circundante, descompuesto por los diazótrofos o el proceso de Haber-Bosch. Los investigadores esperan transferir genes de diazótrofos a los cereales, dándoles la capacidad de fijar nitrógeno. Es posible que algún día tengamos plantas que se fertilicen solas.

Las plantas autofertilizantes han sido un objetivo científico desde los años setenta. En 1972, dos científicos británicos publicaron un artículo. Naturaleza se informa que empujó E. coli, un tipo de bacteria que normalmente no fija nitrógeno, importando genes de otro tipo de bacteria que sí lo hace. El rápido progreso parecía inminente para las plantas. 1975 Ciencia papel con referencia Naturaleza en el artículo "Investigación sobre la fijación de nitrógeno: ¿la clave para la alimentación mundial?" hay un tema.

"Fue hace mucho tiempo, y no hemos llegado muy lejos, ¿verdad?", dijo Ray Dixon, biólogo molecular del Centro John Innes de Inglaterra y uno de los dos Naturaleza Los autores se rieron de mí. “Pero no teníamos la técnica para hacer esas cosas en mi defensa o en la defensa del campo. Sólo en los últimos diez años algo de esto ha sido realmente posible”.

Los diazotrofos fijan nitrógeno mediante un complejo enzimático llamado nitrogenasa, que consta de varias proteínas y moléculas auxiliares. El sistema es como una pequeña línea de montaje. Básicamente, un componente utiliza la molécula ATP, portadora de energía, para transferir electrones a otro componente. Este componente divide N₂ por la mitad, cada átomo está unido a un hidrógeno extraído del agua, formando dos moléculas de amoníaco. Otras proteínas proporcionan a estos dos componentes grupos metálicos que contienen hierro y, a veces, molibdeno. Los dos grupos recolectan y donan electrones al tercer grupo, que divide el N.₂. Todo el sistema equivale a dividir H por dos₂requiere al menos de diez a veinte genes (nadie está seguro del mínimo), pero algunas bacterias utilizan cincuenta o más.

El mayor obstáculo es el diseño y construcción de los clusters metálicos. norte₂ flotando en el aire, pero el metal es más difícil de extraer. "Tiene que surgir de otras formas en que pedimos y tomamos prestado", dijo Craig Wood, biólogo de plantas sintéticas en CSIRO de la Agencia Australiana de Ciencias. Las moléculas de racimo "se crean, disuelven y utilizan todo el tiempo. Es como una economía y está altamente regulada". Una vez que tenga los montantes de metal, deberá encontrar los orificios adecuados para deslizarlos. "Esta es la metaloenzima más compleja conocida en la naturaleza", dijo Wood.

Ejecutar la nitrogenasa fuera de un hogar bacteriano es como tomar una máquina Rube Goldberg bien ajustada y volver a ensamblarla en Marte. Para producir proteínas en el momento adecuado y en la cantidad adecuada, se necesitan los genes correctos, y las proteínas (cadenas de aminoácidos) deben ensamblarse en las formas correctas e interactuar de la manera correcta. "Si no tienes la expresión correcta de todos los genes, todo puede venirse abajo", dijo Luis Rubio, bioquímico del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas de España. "Quiero decir, sólo un gen se activa y todo el sistema colapsa. Es muy, muy sutil". Dennis Dean, bioquímico de la Universidad Tecnológica de Virginia, se hizo eco de este sentimiento: "Tengo un colega que ha estado trabajando conmigo durante muchos años y dice que la nitrogenasa demuestra que si hay un Dios, es muy astuto".

Los investigadores tampoco saben en qué parte de la planta insertan las proteínas que producen la nitrogenasa. Destacan dos posibilidades: los cloroplastos y las mitocondrias, ambos orgánulos que flotan en el interior de las células vegetales. Ninguno de los dos es perfecto; es como elegir construir una máquina de Rube Goldberg en Marte o en la Luna. Los cloroplastos tienen varias ventajas. Lo más importante es que cuentan con algunos de los equipos necesarios para recolectar nitrogenasas. Pero la fotosíntesis en los cloroplastos produce oxígeno y el oxígeno destruye la nitrogenasa. Por lo tanto, los científicos están considerando formas de generar nitrógenoasa sólo por la noche, cuando no se produce la fotosíntesis.

La mayoría de los investigadores con los que hablé estaban predispuestos hacia las mitocondrias. Estas estructuras tienen poco oxígeno y, como pequeños motores de la célula, proporcionan un suministro abundante de ATP. Una dificultad es que el ADN mitocondrial es casi imposible de editar; esto dificulta la programación de las mitocondrias para producir las partes moleculares necesarias para producir la nitrogenasa. Pero hay una manera de solucionar el problema: según Wood, cuando los genes se expresan en el núcleo, se pueden diseñar para producir proteínas con un "pequeño sello postal", un marcador que las envía a regiones específicas. celúla. De esta manera, los genes del núcleo celular pueden especificar los componentes de la nitrogenasa que se producirán y enviarán a las mitocondrias. Wood y Rubio están trabajando para producir este tipo de proteínas en plantas y levaduras.

Encontrar un sitio de construcción es una cosa; la entrega de piezas es otra. Las propias piezas también deben estar bien preparadas. Las proteínas involucradas en la nitrogenasa no son fáciles de producir. Dixon, Rubio y Wood descubrieron cómo crear varias partes candidatas: proteínas con nombres como NifH, NifDK, NifU, NifB y NifEN. Todos ellos, o sus equivalentes, deben tomar las formas adecuadas y "doblarse" correctamente después de haber sido elaborados por genes.

Las mitocondrias de las levaduras o las plantas tienen dos formas de producir proteínas que normalmente se producen en los microbios. Una forma de hacerlo es recrearlos lentamente con cambios menores. El segundo es uso de la biodiversidad natural estudiando las proteínas de varias bacterias y encontrando las que mejor se adaptan al nuevo entorno. A menudo, estas proteínas provienen de microbios termófilos, aquellos que toleran las altas temperaturas. "Lo sorprendente es que terminamos con una vía creada por proteínas de cinco, seis o siete organismos diferentes", dijo Rubio. Adaptación de proteínas y diseñarlos no son mutuamente excluyentes; El laboratorio de Rubio está investigando actualmente cómo utilizar el aprendizaje automático para optimizar las proteínas que descubrieron.

Existen diferentes tipos de nitrogenasas y se unen a diferentes metales. El coche de hierro y molibdeno es como un Ferrari, me dijo Wood: es el más famoso, pero también el más complicado. Otra versión utiliza vanadio en lugar de molibdeno; también es complejo y poco estudiado. "Pero hay un tercero que se parece al VW Beetle de los años sesenta", dijo Wood. Esta nitrogenasa utiliza únicamente hierro sin molibdeno ni vanadio. Es más lento, pero también más simple y el hierro es más fácil en la naturaleza que otros metales. En junio pasado, el laboratorio de Wood informó que habían conseguido que células vegetales expresaran los cuatro componentes proteicos de la nitrogenasa sólo de hierro en sus núcleos y los importaran a las mitocondrias. Algunas proteínas también se ensamblaron correctamente. "Desde una perspectiva pública, no parece que esté sucediendo gran cosa", dijo Wood. "Pero desde nuestro punto de vista, estamos armando el cubo de Rubik poco a poco. La gente tiene un camino claro a seguir".