Investigadores de diferentes países y organizaciones están trabajando para crear cultivos agrícolas que puedan proveerse del nutriente esencial nitrógeno. Científicos australianos del CSIRO (organismo gubernamental) afirman que podrán producir plantas que contengan nitrogenasa funcional dentro de cinco años.
Más de la mitad de las proteínas de nuestro cuerpo se pueden rastrear directamente hasta un proceso inventado hace más de 100 años por dos químicos alemanes, Fritz Haber y Carl Bosch. El proceso Haber-Bosch fija artificialmente el nitrógeno rompiendo el triple enlace inerte del gas nitrógeno en fertilizante de amoníaco.
Sin este progreso, nuestra población no sería capaz de alimentarse. Sin embargo, las presiones combinadas del continuo crecimiento de la población mundial y la necesidad de proteínas de mayor calidad han obligado a los agricultores a depender cada vez más de la aplicación continua de fertilizantes nitrogenados. Tuvo un precio.
Además de los costos directos del uso de fertilizantes nitrogenados, también existe una creciente conciencia de la contaminación ambiental, como la de las vías fluviales, causada por el uso excesivo de fertilizantes. La producción mundial de fertilizantes también representa el 1,4% de las emisiones anuales de CO2, y su uso es la principal causa de emisiones de gases de efecto invernadero no CO2.
Así pues, la humanidad se enfrenta a un enigma: ¿cómo proporcionar a una población creciente alimentos y proteínas suficientes y, al mismo tiempo, evitar los costos económicos y ambientales asociados al uso excesivo de fertilizantes nitrogenados?
Este es un desafío que el Dr. Craig Wood y su equipo en CSIRO están abordando, utilizando biología sintética y biotecnología de cultivos de vanguardia para crear nuevos cultivos que puedan fijar su propio nitrógeno para crecer.
«Algunas bacterias son capaces de producir su propio fertilizante, y esta vía única y natural nos proporciona un modelo para crear cultivos con las mismas capacidades», afirma el Dr. Wood.
Su equipo, incluido el Dr. Christina Gregg y Rob Allen, utiliza plantillas genéticas disponibles en bacterias y las diseña para lograr una expresión estable en los cultivos. La plantilla completa de ADN que se encuentra en las bacterias produce la enzima nitrogenasa, el único proceso biológico capaz de convertir el gas nitrógeno inerte (que constituye casi el 78% del gas de la atmósfera de la Tierra) en amoníaco valioso.
La vía bacteriana se ha estudiado durante los últimos 50 años y ha proporcionado una gran cantidad de conocimientos bioquímicos y genéticos. Un aspecto fascinante de la nitrogenasa es que sólo funciona en ausencia de oxígeno y requiere una gran cantidad de energía para romper el triple enlace inerte de la molécula de gas nitrógeno.
Para garantizar el funcionamiento de la nitrogenasa en los cultivos, los investigadores del CSIRO están identificando toda la vía bacteriana en las mitocondrias de las plantas, un compartimento subcelular donde las concentraciones de oxígeno son muy bajas y la energía biológica es abundante.
La vía genética para la reconstitución de la nitrogenasa en las plantas involucra alrededor de 10 componentes diferentes. Los investigadores del CSIRO han demostrado que cada una de estas partes puede transportarse con éxito a las mitocondrias de las plantas. El siguiente paso del proceso es el ensamblaje de componentes funcionales dentro de la planta, lo que requiere habilidades avanzadas en biología molecular y bioquímica.
«Este es un proyecto de investigación apasionante, tanto por la complejidad de la ciencia como por el impacto potencial en el aumento de la resiliencia y la reducción de costos para los agricultores», afirma el Dr. Wood. – CSIRO está compitiendo con enfoques similares que se utilizan en España, China, Estados Unidos y el Reino Unido. Todos estos países reconocen la necesidad de reducir su dependencia de los fertilizantes, y la biología sintética ofrece una oportunidad única para hacerlo. “En los dos últimos años se han logrado avances importantes y creo que dentro de cinco años tendremos plantas que contengan nitrogenasa funcional”.
El desarrollo de estas tecnologías abrirá oportunidades para diseñar plantas que produzcan proteínas de alta calidad con menos fertilizantes y una mayor sostenibilidad.
Anteriormente, el equipo de CSIRO desarrolló cultivos genéticamente modificados con vías metabólicas complejas, lo que llevó a la producción de aceites omega-3 en semillas de canola, una variedad comercial de colza. Todos estos enfoques genéticamente modificados están sujetos a una gama completa de aprobaciones regulatorias para garantizar que las plantas sean seguras para su uso en la cadena alimentaria y en el medio ambiente.
Un desarrollo similar y la consiguiente adopción de cultivos con capacidad de fijar nitrógeno desempeñarán un papel importante en la transición de la agricultura hacia un futuro sostenible.
Fuente: CSIRO. Autor: Anu Mathew.
En la foto, de izquierda a derecha: los doctores Rob Allen, Christina Gregg y Craig Wood están a la vanguardia de la carrera mundial para reducir el impacto de los fertilizantes nitrogenados. Fuente: CSIRO.
