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Desarrollan bacteria transgénica que produce fertilizante con el nitrógeno del aire

https://source.wustl.edu/2018/07/researchers-engineer-bacteria-that-create-fertilizer-out-of-thin-air/2018-07-18

Himadri Pakrasi (izquierda), dirigió un equipo de investigadores que ha desarrollado una bacteria que utiliza la fotosíntesis para crear oxígeno durante el día, y de noche, usa nitrógeno para crear clorofila para la fotosíntesis. El equipo incluyó a Michelle Liberton (segunda desde la izquierda), Deng Liu y Maitrayee Bhattacharyya-Pakrasi. (Foto: Joe Angeles / Universidad de Washington)

Investigadores han desarrollado una bacteria genéticamente modificada que utiliza la fotosíntesis para crear oxígeno durante el día, y de noche, usa nitrógeno para crear clorofila para la fotosíntesis. Este desarrollo podría llevar a que las plantas hagan lo mismo, eliminando el uso de algunos, o posiblemente todos, los fertilizantes sintéticos, lo que tiene un alto costo ambiental.

En el futuro, las plantas podrían crear su propio fertilizante. Los agricultores ya no necesitarán comprar y distribuir fertilizantes para sus cultivos, y el aumento de la producción de alimentos beneficiará a miles de millones de personas en todo el mundo, que de lo contrario podrían pasar hambre.

Estas declaraciones pueden sonar como salidas de una novela de ciencia ficción, pero una nueva investigación de científicos de la Universidad de Washington en St. Louis, Estados Unidos, muestra que pronto podría ser posible diseñar plantas que produzcan su propio fertilizante. Este descubrimiento podría tener un efecto revolucionario en la agricultura y la salud del planeta.


La investigación, dirigida por Himadri Pakrasi, Profesor Distinguido en el Departamento de Biología y Director del Centro Internacional de Energía, Medio Ambiente y Sostenibilidad (InCEES), e investigador asociado en biología, se publicó en la edición de mayo/junio de mBio.


La creación de fertilizantes consume mucha energía y el proceso produce gases de efecto invernadero que son un importante impulsor del cambio climático. Y es ineficiente. La fertilización es un sistema de entrega de nitrógeno, que las plantas utilizan para crear clorofila para la fotosíntesis, pero menos del 40$ del nitrógeno de los fertilizantes comerciales llega a la planta.


Después de que una planta ha sido fertilizada, hay otro problema: el escurrimiento. Los fertilizantes arrastrados por la lluvia terminan en arroyos, ríos, bahías y lagos, alimentando algas que pueden crecer sin control, bloqueando la luz solar y matando la vida animal y vegetal como consecuencia.


Sin embargo, hay otra fuente abundante de nitrógeno a nuestro alrededor. La atmósfera de la Tierra es de aproximadamente 78% de nitrógeno, y el laboratorio Pakrasi del Departamento de Biología acaba de diseñar una bacteria genéticamente modificada que puede usar ese gas atmosférico, un proceso conocido como “fijación” de nitrógeno, en un paso significativo hacia la ingeniería de plantas que puede hacer lo mismo.


La investigación se basó en el hecho de que, aunque no hay plantas que puedan fijar nitrógeno desde el aire, existe un subconjunto de cianobacterias (bacterias que fotosintetizan como las plantas) que puede hacerlo. Las cianobacterias pueden hacer esto a pesar de que el oxígeno, un subproducto de la fotosíntesis, interfiere con el proceso de fijación de nitrógeno.


La bacteria utilizada en esta investigación, Cyanothece, puede fijar nitrógeno debido a algo que tiene en común con las personas.


“Las cianobacterias son las únicas bacterias que tienen un ritmo circadiano”, dijo Pakrasi. Curiosamente, Cyanothece fotosintetiza durante el día, convirtiendo la luz solar en la energía química que utilizan como combustible y fijando nitrógeno por la noche, después de eliminar la mayor parte del oxígeno creado durante la fotosíntesis a través de la respiración.


El equipo de investigación quería tomar los genes de Cyanothece, responsable de este mecanismo día-noche, y ponerlos en otro tipo de cianobacterias, Synechocystis, para corregir este “bug” y lograr que también fije el nitrógeno del aire.


Para encontrar la secuencia correcta de genes, el equipo buscó el revelador ritmo circadiano. “Vimos un conjunto contiguo de 35 genes que estaban haciendo cosas solo por la noche”, dijo Pakrasi, “y básicamente se mantuvieron en silencio durante el día”.


El equipo, que también incluía a la investigadora asociada Michelle Liberton, al ex investigador asociado Jingjie Yu y a Deng Liu, eliminaron manualmente el oxígeno de Synechocystis y agregaron los genes de Cyanothece. Los investigadores encontraron que Synechocystis fue capaz de fijar nitrógeno al 2% de Cyanothece. Sin embargo, las cosas se pusieron realmente interesantes cuando Liu, un investigador postdoctoral que ha sido el pilar del proyecto, comenzó a eliminar algunos de esos genes; con solo 24 de los genes Cyanothece, Synechocystis pudo fijar nitrógeno a una tasa de más del 30% de Cyanothece.


Las tasas de fijación de nitrógeno disminuyeron marcadamente con la adición de un poco de oxígeno (hasta 1%), pero aumentaron nuevamente con la adición de un grupo diferente de genes de Cyanothece, aunque no alcanzó tasas tan altas como  ocurre sin la presencia de oxígeno.


“Esto significa que el plan de modificación es factible”, dijo Pakrasi. “Debo decir que este logro fue más allá de lo que esperaba”.


Los próximos pasos para el equipo son profundizar en los detalles del proceso, tal vez reducir aún más el subconjunto de genes necesarios para la fijación de nitrógeno, y colaborar con otros científicos de plantas para aplicar las lecciones aprendidas de este estudio al siguiente nivel: plantas fijadoras de nitrógeno.


Los cultivos que pueden hacer uso del nitrógeno del aire serán más efectivos para los agricultores de subsistencia (alrededor de 800 millones de personas en todo el mundo, según el Banco Mundial) aumentando los rendimientos en una escala que beneficia a una familia o pueblo y liberando tiempo que una vez se gastó esparciendo fertilizante manualmente.


“Si es un éxito”, dijo Bhattacharyya-Pakrasi, “será un cambio significativo en la agricultura”.


 
 



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