Los procariotas fijadores de nitrógeno (bacterias y arqueas) pueden transformar el gas nitrógeno (N2), altamente inerte y presente en la atmósfera, en amonio, una forma reactiva que otros organismos, incluidas las plantas, pueden asimilar fácilmente. Esto lo hacen por medio de la nitrogenasa, una enzima compleja, exigente y exclusiva. La producción agrícola agota los suelos de formas de nitrógeno fácilmente asimilables, lo que impone la necesidad de añadir fertilizantes nitrogenados. Esto es especialmente cierto para los cereales, el alimento básico de la humanidad.

Sintetizar y aplicar fertilizantes nitrogenados no solo es costoso sino también potencialmente dañino para el medio ambiente, lo que hace que la producción de cereales sea insostenible. Dotar a los cereales de la capacidad de fijar nitrógeno, es decir, con una nitrogenasa activa, representaría un avance importante hacia la alimentación sostenible de la siempre creciente población mundial. Por ello, este avance científico puede contribuir a mitigar los efectos que la producción agrícola tiene sobre el cambio climático, que es uno de los temas que se abordarán en la cumbre del clima COP25 que se inicia esta semana en Madrid (https://www.cop25.cl/#/)

Gracias a la financiación continuada de la Fundación Bill y Melinda Gates, el investigador del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas CBGP-UPM-INIA, Luis Rubio y su equipo están abordando el ambicioso proyecto de modificar los sistemas nitrogenasa de procariotas para que puedan expresarse funcionalmente en las plantas. Este es un esfuerzo complejo y de largo alcance, ya que la fijación de nitrógeno es incompatible con el oxígeno y la nitrogenasa contiene grupos heterometálicos característicos, extremadamente lábiles y que no se encuentran en ningún otro sistema.

En trabajos previos, el laboratorio de Rubio ha demostrado que uno de los componentes de la nitrogenasa se puede sintetizar en forma activa en las mitocondrias de levadura, lo que sugiere que dirigir los sistemas de fijación de nitrógeno a las mitocondrias eucarióticas podría proporcionar el ambiente adecuado para la síntesis y actividad de la nitrogenasa. Una publicación muy reciente de Burén et al. en PNAS, resultado de un esfuerzo colaborativo de los laboratorios de Rubio (CBGP), Chris Voigt (MIT), Dennis Dean (Virginia Tech) y Alex Guo (Carnegie Mellon), muestra un avance importante para resolver el problema, al lograr la síntesis de NifB-co activo en las mitocondrias de levadura. NifB-co es un cofactor complejo de Fe / S (Figura) y el precursor del cofactor del centro activo de la nitrogenasa, en el que tiene lugar la reducción de N2 a amonio. NifB-co se sintetiza por medio de una enzima específica, NifB, en combinación con otras enzimas (NifU, NifS, FdxN).

Mediante un uso ingenioso de la biología sintética combinatoria y de la bioquímica, Burén y sus colaboradores probaron 28 genes nifB de diferentes organismos, en combinación con genes nifUSfdxN en mitocondrias de levadura. Para dos de las proteínas NifB que, improbablemente, procedían de arqueas termofílicas, se pudo demostrar la síntesis de NifB-co activo unido a NifB. Además, para NifB de Methanococcus thermoautotrophicus, el NifB-co recién sintetizado podía transferirse a su portador natural, NifX, dentro de las mitocondrias, y así actuar en la síntesis del cofactor del centro activo.

El estudio en el que participan investigadores del CBGP-UPM-INIA no solo demuestra que es posible la síntesis de grupos metálicos específicos de la nitrogenasa en las mitocondrias de levaduras aeróbicas, sino que también establece los requisitos mínimos para que se produzca esta síntesis heteróloga. Además, y de manera importante, pone de manifiesto el poder de la biología sintética combinatoria al proporcionar nuevas combinaciones de genes que pueden ayudar a superar las limitaciones, tanto anticipadas como observadas, para la expresión funcional de la nitrogenasa en las plantas.

Stefan Burén, Katelin Pratt, ProfileXi Jiang, Yisong Guo, Emilio Jimenez-Vicente, Carlos Echavarri-Erasun, Dennis R. Dean, Ishtiaq Saaem, D. Benjamin Gordon, Christopher A. Voigt, and View Luis M. Rubio Biosynthesis of the nitrogenase active-site cofactor precursor NifB-co in Saccharomyces cerevisiae. PNAS first published November 25, 2019 https://doi.org/10.1073/pnas.1904903116

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