En colaboración con un equipo del Massachussetts Institute of TechnologyMassachussetts Institute of Technology (MIT), investigadores del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, CBGP (UPM-INIA), han conseguido transferir y controlar la expresión de 9 genes de nitrogenasa al genoma de la levadura Saccharomyces cerevisiae. Esto supone un gran logro en el camino hacia la obtención de plantas capaces de captar el nitrógeno del aire para producir biomasa. Aplicado al campo de los cereales, esto contribuirá 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. Solo algunas bacterias llamadas diazótrofos -o comedores de nitrógeno- son capaces de convertir gas nitrógeno en amoniaco, que luego es utilizado por ellas mismas y otros organismos vivos para crear biomasa. Por lo tanto, en todos los ecosistemas los diazótrofos son los principales productores de nitrógeno biológicamente activo.

En los países desarrollados, los sistemas agrícolas se basan principalmente en cultivos de cereales, que proporcionan alrededor del 60% de la energía en nuestra 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.

Los diazótrofos consiguen fijar el nitrógeno del aire gracias a que usan una enzima de dos componentes llamada nitrogenasa. Sin embargo, las plantas carecen de nitrogenasa, de modo que no pueden “comer” nitrógeno. Dotar a las plantas de esta capacidad es el objetivo que persigue el profesor Luis Rubio desde su laboratorio del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, un centro mixto de la Universidad Politécnica de Madrid y el Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria, CBGP (UPM-INIA).

Para resolver el denominado «problema del nitrógeno», el equipo del profesor Rubio trabaja en la transferencia de genes de nitrogenasa (nif) a las plantas. De este modo se pretende generar plantas diazotróficas y, por lo 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.

Sin embargo, un resultado reciente 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. En el nuevo trabajo, 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.

En opinión del profesor Luis Rubio, “aunque aún queda mucho por hacer, 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.”

La investigación realizada en el laboratorio del profesor Luis Rubio en el CBGP (UPM-INIA) está financiada por la Fundación Bill & Melinda Gates y tiene como objetivo ayudar a los pequeños agricultores del África subsahariana.

Buren, S.; Young, E.M.; Sweeny, E.A.; Lopez-Torrejon, G.; Veldhuizen, M.; Voigt, C.A.; Rubio, L.M.. Formation of Nitrogenase NifDK Tetramers in the Mitochondria of Saccharomyces cerevisiae ACS SYNTHETIC BIOLOGY, 6 (6):1043-1055; 10.1021/acssynbio.6b00371 JUN 2017

López-Torrejón, G; Jiménez-Vicente, E; Buesa, JM; Hernandez, JA; Verma, HK; Rubio, LM.  Expression of a functional oxygen-labile nitrogenase component in the mitochondrial matrix of aerobically grown yeast. NATURE COMMUNICATIONS. DOI: 10.1038/ncomms11426