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Hacer realidad un sueño biotecnológico: cultivos de cereales fijadores de nitrógeno

Hacer realidad un sueño biotecnológico: cultivos de cereales fijadores de nitrógeno
El laboratorio de Voigt, que fue financiado por subvenciones de semillas de J-WAFS en 2015 y 2017, está trabajando para llevar la capacidad de fijación de nitrógeno de las leguminosas a los cultivos de cereales de ingeniería. Crédito: Lisa Miller / J-WAFS

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 de sistemas agrícolas y alimentarios que están trabajando para garantizar que haya suficientes alimentos para satisfacer las necesidades globales en los próximos años. 


por Lisa Miller, Instituto de Tecnología de Massachusetts


Un grupo de investigación del MIT que se moviliza en torno a este desafío es el laboratorio de Voigt en el Departamento de Ingeniería Biológica, dirigido por Christopher Voigt, el profesor Daniel IC Wang de Biotecnología Avanzada en el MIT.

Durante los últimos cuatro años, el Laboratorio de Sistemas de Alimentos y Agua Abdul Latif Jameel (J-WAFS) ha financiado a Voigt con dos Subvenciones Semilla 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.

Fertilizante químico: como ayuda y como duele

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 nitrógeno del aire y ponerlo en el suelo, que luego es extraído 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 agregados para obtener nitrógeno, incluidos estiércol, compost y fertilizantes químicos. Sin estos, las plantas que crecen son más pequeñas y producen menos grano.

En la actualidad, más de 3.500 millones de personas dependen de los fertilizantes químicos para alimentarse. El ochenta por ciento de los fertilizantes nitrogenados químicos de la actualidad se elaboran mediante el proceso Haber-Borsch, que consiste en transformar el gas nitrilo en amoníaco. Si bien los fertilizantes nitrogenados han impulsado la producción agrícola en el último siglo, esto ha tenido algunos costos significativos. Primero, el proceso 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, el uso de demasiado fertilizante químico genera contaminación por nitrógeno. 

La escorrentía de fertilizantes contamina los ríos y océanos, lo que resulta en la proliferación de algas que sofocan la vida marina. Limpiar esta contaminación y pagar los daños a la salud pública y al medio ambiente le cuesta a los Estados Unidos $ 157 mil millones al año. En tercer lugar, cuando se trata de fertilizantes químicos, hay problemas de equidad y acceso. 

Estos fertilizantes son fabricados en el hemisferio norte por las principales naciones industrializadas, donde el postash, un ingrediente principal, es abundante. Sin embargo, los costos de transporte son altos, especialmente para los países del hemisferio sur. Entonces, para los agricultores de las regiones más pobres, esta barrera da como resultado un menor rendimiento de los cultivos.

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 cuando la población y el cambio climático estresan los suministros alimentarios del mundo. Por tanto, los fertilizantes son y seguirán siendo una herramienta fundamental.

Pero, ¿podría haber otra forma?

Hacer realidad un sueño biotecnológico: cultivos de cereales fijadores de nitrógeno
El laboratorio de Voigt está probando por primera vez sus nuevas técnicas de ingeniería de plantas en plantas de tabaco en el laboratorio. El objetivo es dotar a estas plantas de la capacidad de fijar nitrógeno mediante la edición genética. Crédito: Lisa Miller / J-WAFS

La compatibilidad bacteriana de los cloroplastos y las mitocondrias.

Esta es la pregunta que impulsa a los investigadores del laboratorio de Voigt, mientras trabajan para desarrollar granos de cereales fijadores de nitrógeno. La estrategia que han desarrollado es apuntar a genes específicos en las bacterias fijadoras de nitrógeno que operan simbióticamente con las leguminosas, llamadas genes nif. Estos genes provocan la expresión de las estructuras proteicas (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 se ha considerado durante mucho tiempo como un gran desafío técnico. La vía nif es muy grande e involucra muchos genes diferentes. Transferir cualquier grupo de genes grande es en sí mismo una tarea difícil, pero hay una complejidad adicional en esta vía en particular. Los genes nif de 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 mismos, sino también replicar los componentes celulares responsables de controlar la vía.

Esto conduce a otro desafío. Los microbios responsables de la fijación de nitrógeno en las leguminosas son las bacterias (procariotas) y, como explica Eszter Majer, un postdoctorado en el laboratorio de Voigt que ha estado trabajando en el proyecto durante los últimos dos años, «la expresión genética 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 Voigt está utilizando en sus experimentos. La reingeniería de la vía nif en un eucariota equivale a una revisión completa del sistema.

El laboratorio de Voigt ha encontrado una solución alternativa: en lugar de apuntar a toda la célula vegetal, se dirigen a los orgánulos dentro de la célula, específicamente, los cloroplastos y las mitocondrias. Las mitocondrias y los cloroplastos tienen orígenes bacterianos antiguos y alguna vez vivieron de forma independiente fuera de las células eucariotas como procariotas. Hace millones de años, se incorporaron al sistema eucariota como orgánulos. Son únicos en el sentido de que tienen sus propios datos genéticos y también han mantenido muchas similitudes con los procariotas de hoy en día. Como resultado, son excelentes candidatos para la transferencia de nitrogenasa. Majer explica: «Es mucho más fácil transferir de un procariota a un sistema similar a un 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 tanto los cloroplastos como 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 nocturnos y las mitocondrias en las plantas tienen niveles bajos de oxígeno, lo que los convierte en un lugar ideal para que opere la proteína nitrogenasa.

Hacer realidad un sueño biotecnológico: cultivos de cereales fijadores de nitrógeno
Christopher Voigt y Eszter Majer (en la foto) colaboraron con expertos en cloroplasto y mitocondrias del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de las Plantas en Alemania y la Universidad Politécnica de Madrid, España, durante su período de subvención de semillas, colaboraciones que fueron posibles gracias a J-WAFS seed subsidios. Crédito: Lisa Miller / J-WAFS

Un equipo internacional de expertos

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

Uno fue Luis Rubio, profesor asociado especializado en bioquímica de la fijación de nitrógeno en la Universidad Politécnica de Madrid, España. Rubio es un experto en nitrogenasa y química inspirada en nitrógeno. La transformación del ADN mitocondrial es un proceso desafiante, por lo que el equipo diseñó un sistema de administración de genes de nitrogenasa utilizando levadura. Las levaduras son organismos eucariotas fáciles de diseñar y pueden usarse para atacar las mitocondrias. El equipo insertó los genes nitrogenasa en los núcleos de la levadura, que luego se dirigen a las mitocondrias mediante fusiones de péptidos. Esta investigación resultó en el primer organismo eucariota en demostrar la formación de proteínas estructurales nitrogenasas.

El laboratorio de Voigt también colaboró ​​con Ralph Bock, un experto en cloroplasto del Instituto Max Planck de Fisiología Vegetal Molecular en Alemania. Él y el equipo de Voigt han logrado grandes avances hacia el objetivo de cultivos de cereales fijadores de nitrógeno; En los próximos meses se publicarán los detalles de sus logros recientes en el avance de la ingeniería de cultivos de campo y el avance del trabajo de fijación de nitrógeno.

Continuando en busca del sueño

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

«El laboratorio de Voigt está invertido en hacer 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 logrado grandes avances y continuarán impulsando la realización de esta visión transformadora, una que podría revolucionar la producción de cereales a nivel mundial.



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