Investigadores de Estados Unidos identificaron un mecanismo molecular que desactiva y reactiva una enzima esencial para transformar el nitrógeno atmosférico en amoníaco, un hallazgo que podría orientar nuevas estrategias de nutrición agrícola.
Redacción: Redacción Mundo Agropecuario
Editor: Eduardo Schmitz
Un equipo científico encabezado por investigadores de la Universidad de Arkansas, en Estados Unidos, descubrió un mecanismo molecular que permite a determinados microorganismos detener y reactivar la fijación biológica de nitrógeno. El hallazgo, publicado en la revista científica Nature y divulgado el 8 de octubre de 2026, aporta nuevos conocimientos sobre el funcionamiento de la nitrogenasa, una enzima fundamental para transformar el nitrógeno atmosférico en compuestos aprovechables por los seres vivos.
La investigación identificó un complejo formado por la nitrogenasa y proteínas reguladoras que funciona como un interruptor natural. Cuando las condiciones energéticas o nutricionales de la célula no son favorables, este conjunto de proteínas mantiene inactiva la enzima. Cuando cambian las señales internas del microorganismo, el complejo puede desarmarse y permitir que la fijación de nitrógeno se reanude.
El descubrimiento resulta relevante para la agricultura porque el nitrógeno constituye uno de los nutrientes esenciales para el crecimiento de los cultivos. Comprender cómo los microorganismos controlan su transformación podría contribuir, a largo plazo, al desarrollo de alternativas biológicas capaces de reducir parte de la dependencia de fertilizantes nitrogenados industriales.
Sin embargo, los científicos no han desarrollado todavía plantas que produzcan su propio fertilizante mediante este mecanismo. El avance corresponde a una investigación fundamental sobre la regulación de una enzima microbiana y sus posibles aplicaciones futuras.
Una enzima esencial que necesita grandes cantidades de energía
El nitrógeno representa aproximadamente el 78 % de la atmósfera terrestre, pero la mayoría de las plantas no puede aprovechar directamente el nitrógeno molecular presente en el aire.
Para incorporarlo a sus tejidos, los cultivos necesitan disponer de formas químicas utilizables, como el amonio y el nitrato, que participan en la formación de proteínas, ácidos nucleicos y otros componentes celulares.
Determinados microorganismos poseen una capacidad especial: transformar el nitrógeno atmosférico en amoníaco mediante un proceso conocido como fijación biológica de nitrógeno.
La reacción depende de la nitrogenasa, un complejo enzimático que utiliza energía celular y electrones para romper el fuerte enlace que mantiene unidos los átomos de nitrógeno molecular.
Esta transformación requiere un consumo energético considerable. Por ello, resulta ventajoso para los microorganismos regular cuidadosamente cuándo mantienen activa la enzima y cuándo deben detener su funcionamiento.
Hasta ahora se conocían diferentes mecanismos de regulación de la fijación biológica, pero el nuevo estudio identificó una estrategia estructural específica en microorganismos productores de metano.
El descubrimiento se realizó en microorganismos productores de metano
La investigación se concentró en un grupo de microorganismos denominados metanógenos, pertenecientes al dominio de las arqueas.
Estos organismos se desarrollan en ambientes donde no existe oxígeno disponible y producen metano como resultado de su metabolismo.
Algunos metanógenos también poseen la maquinaria necesaria para fijar nitrógeno atmosférico, lo que los convierte en organismos de interés para estudiar la evolución y regulación de este proceso biológico.
El equipo, dirigido por el profesor Dan Lessner, del Departamento de Ciencias Biológicas de la Universidad de Arkansas, examinó cómo interactúa la nitrogenasa de estos microorganismos con determinadas proteínas reguladoras.
Los científicos descubrieron que la enzima puede asociarse con proteínas de la familia PII para formar una estructura molecular de gran tamaño que permanece inactiva.
La estructura recibe el nombre de supercomplejo proteico porque integra varios componentes moleculares en una unidad funcional.
Este mecanismo permite que el microorganismo suspenda la fijación de nitrógeno cuando sus condiciones internas indican que continuar el proceso supondría un gasto energético desfavorable.
Las proteínas reguladoras funcionan como un interruptor molecular
El hallazgo principal consiste en la identificación de un sistema reversible de regulación.
Cuando la nitrogenasa se une a determinadas proteínas reguladoras, se forma un supercomplejo que impide que la enzima continúe realizando su función habitual.
De esta manera, el microorganismo puede evitar consumir recursos en una reacción metabólica costosa cuando su disponibilidad de energía o nutrientes resulta limitada.
Posteriormente, señales relacionadas con el estado energético y nutricional de la célula pueden provocar la separación de los componentes del supercomplejo.
Al desarmarse esa estructura, la nitrogenasa recupera su capacidad funcional y puede reanudar la fijación de nitrógeno.
Según Dan Lessner, el descubrimiento revela una estrategia de regulación que no había sido descrita anteriormente para esta importante reacción bioquímica.
La posibilidad de detener y reactivar una enzima mediante la formación y separación de un complejo proteico proporciona una nueva perspectiva sobre la manera en que los microorganismos administran sus recursos metabólicos.
La criomicroscopía electrónica permitió observar el mecanismo
Para identificar la organización del complejo, los investigadores utilizaron criomicroscopía electrónica, una técnica que permite estudiar estructuras moleculares mediante muestras conservadas a temperaturas extremadamente bajas.
Este procedimiento proporciona información tridimensional sobre la disposición de proteínas y otros componentes biológicos.
El equipo obtuvo una reconstrucción estructural del supercomplejo de nitrogenasa con una resolución aproximada de 3,16 ángstroms.
La estructura permitió observar cómo las proteínas reguladoras se asocian con los componentes de la nitrogenasa y forman una organización capaz de impedir su actividad.
El análisis estructural se complementó con investigaciones sobre el comportamiento del complejo y las condiciones que favorecen su formación o separación.
La combinación de estas aproximaciones permitió relacionar la arquitectura molecular observada con el mecanismo de regulación propuesto por los científicos.
Los resultados fueron publicados bajo el título científico Cryo-EM structure of a methanogen nitrogenase–PII protein supercomplex, encabezado por la investigadora Rajnandani Kashyap y sus colaboradores.
La fijación biológica puede reducir la dependencia de fertilizantes
El interés agrícola de la investigación está relacionado con la necesidad de suministrar nitrógeno suficiente para sostener la producción vegetal.
Actualmente, numerosos sistemas agrícolas dependen de fertilizantes nitrogenados fabricados industrialmente mediante procesos que transforman el nitrógeno atmosférico en amoníaco.
La producción convencional de amoníaco requiere condiciones industriales de elevada temperatura y presión y, en muchas instalaciones, utiliza combustibles fósiles como fuente energética o materia prima.
La fijación biológica constituye una alternativa natural porque determinados microorganismos pueden realizar la transformación del nitrógeno en condiciones de temperatura y presión mucho menos exigentes.
En la agricultura, uno de los ejemplos más conocidos corresponde a la asociación entre leguminosas y bacterias fijadoras de nitrógeno.
Cultivos como soja, frijoles, guisantes y alfalfa pueden desarrollar nódulos en sus raíces donde determinados microorganismos transforman el nitrógeno atmosférico en compuestos aprovechables por la planta.
Esta relación ha motivado investigaciones sobre la capacidad de las leguminosas para enriquecer los sistemas agrícolas con nitrógeno y disminuir parcialmente la necesidad de fertilización externa.
El nuevo estudio no examina directamente esa asociación vegetal, pero aporta conocimientos sobre la regulación de una enzima que desempeña una función central en la fijación biológica.
Comprender la nitrogenasa podría orientar nuevas aplicaciones agrícolas
Uno de los objetivos científicos de largo plazo consiste en aprovechar el funcionamiento de la nitrogenasa para desarrollar sistemas de producción de amoníaco más eficientes.
Los investigadores consideran que conocer los mecanismos de regulación de esta enzima puede contribuir al diseño de futuras aplicaciones biotecnológicas.
Dan Lessner explicó que existe interés en utilizar la nitrogenasa como catalizador biológico para transformar nitrógeno atmosférico en amoníaco de una manera potencialmente menos intensiva en energía.
El investigador también señaló que los conocimientos genéticos derivados de estos estudios podrían ayudar a explorar la posibilidad de trasladar componentes relacionados con la fijación de nitrógeno a plantas agrícolas.
Entre los cultivos de interés se encuentra el maíz, cuya producción depende frecuentemente de aportes externos de nitrógeno.
Sin embargo, conseguir que una planta no leguminosa fije directamente nitrógeno atmosférico representa un desafío científico considerable.
No basta con introducir información genética relacionada con una enzima. También es necesario asegurar que los componentes moleculares se produzcan correctamente, reciban energía y electrones suficientes y funcionen en condiciones celulares compatibles.
Por tanto, el descubrimiento del interruptor molecular no equivale a disponer de una tecnología comercial que permita eliminar los fertilizantes nitrogenados.
Los microorganismos del suelo siguen siendo esenciales para la nutrición vegetal
La investigación también refuerza la importancia de comprender las interacciones entre los microorganismos y las plantas.
En los sistemas agrícolas, la eficiencia de la fijación biológica depende de numerosos factores, entre ellos las especies microbianas presentes, las condiciones del suelo, la disponibilidad de nutrientes y las características del cultivo.
Estudios anteriores han demostrado que la eficiencia de los rizobios influye en la nutrición y el desarrollo de las leguminosas, además de modificar las comunidades microbianas asociadas con sus raíces.
Estos resultados muestran que mejorar el aprovechamiento del nitrógeno biológico requiere comprender tanto los mecanismos moleculares de las bacterias como las condiciones ecológicas donde actúan.
La investigación sobre nitrogenasa puede complementar ese conocimiento al identificar nuevos controles internos que determinan cuándo un microorganismo utiliza energía para fijar nitrógeno.
El desarrollo de futuras soluciones agrícolas dependerá de integrar estos conocimientos con estudios sobre suelos, fisiología vegetal y funcionamiento de comunidades microbianas.
El oxígeno representa otro desafío para aprovechar la nitrogenasa
Una de las principales dificultades para utilizar la nitrogenasa en aplicaciones agrícolas es su sensibilidad al oxígeno.
En numerosos microorganismos, la presencia de este gas puede perjudicar el funcionamiento de los componentes responsables de la fijación de nitrógeno.
Por esta razón, diferentes organismos han desarrollado mecanismos para proteger la enzima y mantener condiciones adecuadas para su actividad.
La investigación agrícola también explora soluciones destinadas a proteger microorganismos fijadores de nitrógeno en ambientes donde el oxígeno está presente.
Un ejemplo reciente corresponde al desarrollo de microesferas biodegradables que protegen bacterias fijadoras de nitrógeno y permiten conservar la actividad de la nitrogenasa en condiciones experimentales.
Ese trabajo, realizado en la Universidad Estatal de Dakota del Sur, utiliza una estrategia diferente de la estudiada por la Universidad de Arkansas.
Mientras las microesferas buscan proteger físicamente a los microorganismos, el nuevo descubrimiento examina cómo determinadas proteínas regulan directamente la actividad de la enzima.
Ambas líneas de investigación ilustran la complejidad de trasladar la fijación biológica de nitrógeno desde condiciones experimentales hacia aplicaciones agrícolas eficaces.
Menos pérdidas de nitrógeno también beneficiaría al ambiente
La mejora de la nutrición nitrogenada constituye un objetivo importante tanto para la productividad agrícola como para la protección ambiental.
Cuando los fertilizantes se aplican en cantidades superiores a las que pueden aprovechar los cultivos, una parte del nitrógeno puede desplazarse hacia aguas superficiales o subterráneas.
Estas pérdidas contribuyen a problemas como la eutrofización, proceso en el que el exceso de nutrientes favorece la proliferación de algas y puede deteriorar los ecosistemas acuáticos.
La gestión inadecuada del nitrógeno también puede aumentar determinadas emisiones asociadas con los procesos microbianos del suelo.
Por ello, desarrollar sistemas que aprovechen mejor las fuentes biológicas de nitrógeno podría complementar las estrategias de fertilización de precisión, manejo del suelo y reducción de pérdidas de nutrientes.
Los investigadores no han demostrado todavía que el mecanismo descubierto reduzca las emisiones agrícolas ni que permita sustituir fertilizantes en condiciones de campo.
Su contribución inmediata consiste en explicar una forma de regulación de la nitrogenasa que podría orientar investigaciones posteriores.
Un avance fundamental con aplicaciones todavía por desarrollar
El descubrimiento abre nuevas preguntas sobre la evolución de los mecanismos de fijación de nitrógeno y su regulación en diferentes grupos de microorganismos.
Los científicos deberán determinar hasta qué punto estrategias semejantes aparecen en otros organismos y cómo podrían aprovecharse para modificar o controlar la actividad de la nitrogenasa.
También será necesario investigar si estos conocimientos pueden utilizarse para desarrollar sistemas biológicos estables capaces de producir amoníaco o mejorar la nutrición de cultivos de interés agrícola.
Por ahora, la investigación proporciona evidencia estructural y funcional de que una nitrogenasa microbiana puede quedar inactiva al integrarse en un supercomplejo proteico y recuperar su actividad cuando cambian las condiciones celulares.
Comprender ese interruptor natural representa un avance en el estudio de una de las reacciones biológicas más importantes para la disponibilidad de nitrógeno en los ecosistemas y para las futuras estrategias de agricultura sostenible.
Fuentes referenciales:
Nature: Cryo-EM structure of a methanogen nitrogenase–PII protein supercomplex (2026)
Universidad de Arkansas: Nitrogen fixation ‘off switch’ discovery could one day help crops make their own fertilizer (8 de octubre de 2026)
