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 agricultura y sistemas alimentarios que trabajan para garantizar que haya suficientes alimentos para satisfacer las necesidades mundiales en los próximos años.
por Lisa Miller, Instituto Tecnológico de Massachusetts
Un grupo de investigación del MIT que se moviliza en torno a este desafío es el laboratorio 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 Agua y Alimentos de Abdul Latif Jameel (J-WAFS) ha financiado a Voigt con dos subvenciones iniciales de J-WAFS. Con este apoyo, Voigt y su equipo están trabajando en un desafío de investigación importante y de larga data: transformar los cultivos de cereales para que puedan fijar su propio nitrógeno.
Fertilizante químico: cómo ayuda y duele.
El nitrógeno es un nutriente clave que permite que las plantas crezcan. Las plantas como las leguminosas son capaces de proporcionar el suyo propio a través de una relación simbiótica con bacterias que son capaces de fijar el 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, suelen depender de fertilizantes agregados para el nitrógeno, como estiércol, compost y fertilizantes químicos. Sin estos, las plantas que crecen son más pequeñas y producen menos grano.
Más de 3.500 millones de personas en la actualidad dependen de los fertilizantes químicos para su alimentación. El ochenta por ciento de los fertilizantes nitrogenados químicos en la actualidad se fabrican 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 siglo pasado, esto ha tenido algunos costos significativos. Primero, el proceso de 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 demasiados fertilizantes químicos da como resultado la contaminación por nitrógeno. La escorrentía de fertilizantes contamina ríos y océanos, lo que da como resultado la proliferación de algas que sofocan la vida marina. Limpiar esta contaminación y pagar por los daños a la salud pública y al medio ambiente le cuesta a los Estados Unidos $157 mil millones al año. Tercero, cuando se trata de fertilizantes químicos, hay problemas con la equidad y el acceso. Estos fertilizantes son fabricados en el hemisferio norte por las principales naciones industrializadas, donde abunda la pólvora, un ingrediente principal. Sin embargo, los costos de transporte son altos, especialmente a países del hemisferio sur. Entonces, para los agricultores de las regiones más pobres, esta barrera se traduce en 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 ejercen presión sobre los suministros de alimentos del mundo. Por lo tanto, los fertilizantes son y seguirán siendo una herramienta fundamental.
Pero, ¿podría haber otra manera?
La compatibilidad bacteriana de los cloroplastos y las mitocondrias
Esta es la pregunta que impulsa a los investigadores en el laboratorio de Voigt, mientras trabajan para desarrollar granos de cereales que fijan nitrógeno. La estrategia que han desarrollado es apuntar a los genes específicos de las bacterias fijadoras de nitrógeno que operan en simbiosis con las leguminosas, llamados 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 ha sido considerado durante mucho tiempo como un gran desafío técnico. La vía nif es muy grande e involucra muchos genes diferentes. La transferencia de cualquier gran grupo de genes es en sí misma una tarea difícil, pero hay una complejidad adicional en esta vía particular. Los genes nif en 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 propios genes, sino también replicar los componentes celulares responsables de controlar la vía.
Esto lleva a otro desafío. Los microbios responsables de la fijación de nitrógeno en las leguminosas son bacterias (procariotas) y, como explica Eszter Majer, postdoctorado en el laboratorio de Voigt que ha estado trabajando en el proyecto durante los últimos dos años, «la expresión génica 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 una 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 modernos. 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 en la noche y las mitocondrias en las plantas tienen bajos niveles de oxígeno, lo que los convierte en un lugar ideal para que opere la proteína nitrogenasa.
Un equipo internacional de expertos
Si bien el equipo ideó un enfoque para transformar células eucariotas, su proyecto todavía implicaba desafíos de ingeniería biológica altamente técnicos. Gracias a las subvenciones J-WAFS, el laboratorio de Voigt ha podido colaborar con dos especialistas en universidades extranjeras para obtener experiencia crítica.
Uno fue Luis Rubio, profesor asociado que se centra en la 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 se pueden usar para apuntar a las mitocondrias. El equipo insertó los genes de la nitrogenasa en los núcleos de levadura, que luego se dirigen a las mitocondrias mediante fusiones de péptidos. Esta investigación resultó en el primer organismo eucariótico en demostrar la formación de proteínas estructurales nitrogenasas.
El laboratorio de Voigt también colaboró con Ralph Bock, un experto en cloroplastos del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas en Alemania. Él y el equipo de Voigt han logrado grandes avances hacia el objetivo de los cultivos de cereales fijadores de nitrógeno; los detalles de sus logros recientes en el avance de la ingeniería de cultivos de campo y la promoción del trabajo de fijación de nitrógeno se publicarán en los próximos meses.
Continuando en la búsqueda del sueño
El laboratorio de Voigt, con el apoyo de J-WAFS y la invaluable colaboración internacional que resultó, pudo obtener resultados innovadores, acercándonos a la independencia de los fertilizantes a través de cereales fijadores de nitrógeno. Avanzaron en la orientación de la nitrogenasa a las mitocondrias y pudieron expresar un tetrámero NifDK completo, una proteína clave en el grupo de nitrogenasa, en las mitocondrias de levadura. A pesar de estos hitos, aún queda trabajo por hacer.
«El laboratorio de Voigt está comprometido con el avance de esta investigación para estar cada vez más cerca del sueño de crear cultivos de cereales fijadores de 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, que podría revolucionar la producción de cereales a nivel mundial.
