Investigadores del Institut de Biologie Structurale y del CSIC han identificado una estructura molecular clave que podría permitir a las plantas generar su propio fertilizante a partir del nitrógeno atmosférico. Este avance se centra en las nitrogenasas, enzimas esenciales que transforman el nitrógeno inerte en formas asimilables. El estudio revela la importancia de la proteína NifEN en el ensamblaje del cofactor necesario para la actividad de las nitrogenasas. Utilizando técnicas avanzadas como la microscopía electrónica criogénica, los científicos han observado un proceso dinámico en el que NifEN actúa como un andamio molecular. Este descubrimiento abre la posibilidad de desarrollar cultivos más sostenibles que reduzcan la dependencia de fertilizantes sintéticos, promoviendo una agricultura más ecológica.
El nitrógeno atmosférico, que compone aproximadamente el 78% del aire en la Tierra, es un gas inerte para la mayoría de los seres vivos. Sin embargo, las plantas tienen la capacidad de asimilarlo gracias a las nitrogenasas, enzimas vitales que solo se encuentran en ciertos microorganismos procariotas, como las bacterias del suelo. En este contexto, un estudio internacional llevado a cabo por el Institut de Biologie Structurale (IBS) de Grenoble y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha identificado una estructura molecular fundamental en la ruta de biosíntesis del cofactor de las nitrogenasas. Este componente molecular es esencial para que estas enzimas realicen la reacción bioquímica necesaria para convertir el nitrógeno en formas asimilables.
La investigación, publicada en Nature Chemical Biology, abre nuevas posibilidades para el desarrollo de cultivos más sostenibles mediante plantas que puedan fijar su propio nitrógeno. La fijación biológica del nitrógeno es un proceso crítico mediado por las nitrogenasas, que son sensibles al oxígeno y permiten transformar el nitrógeno atmosférico en amonio, un nutriente vital.
Las nitrogenasas requieren de un cofactor metálico que se une a ellas para llevar a cabo su función. Este cofactor se forma a través de una serie compleja de pasos que involucran múltiples proteínas. Entre ellas destaca NifEN, que actúa como un andamio facilitando las etapas finales del ensamblaje del cofactor antes de su incorporación a la nitrogenasa (NifDK).
A pesar de su importancia, hasta ahora no se conocía la configuración estructural que permite a NifEN cumplir su función crucial en la fijación biológica del nitrógeno. El equipo liderado por los investigadores Yvain Nicolet y Mickaël Cherrier del IBS, junto con Luis Rubio del CSIC, ha revelado cómo esta proteína desempeña su papel.
Utilizando técnicas avanzadas como la microscopia electrónica criogénica (crio-EM), los investigadores lograron capturar imágenes innovadoras del ensamblaje del cofactor de la nitrogenasa. Estas imágenes mostraron un comportamiento dinámico sorprendente en NifEN, donde diferentes partes de la proteína se mueven y reorganizan similar a una compuerta, facilitando así el movimiento del precursor hacia el interior de la proteína.
Este descubrimiento indica que la transformación del precursor podría no ocurrir en la superficie de NifEN como se había sugerido anteriormente, sino dentro de su cavidad interna. “Estos hallazgos destacan que el proceso es más complejo y ocurre dentro de esta estructura”, afirmó Luis Rubio.
Este avance proporciona una comprensión más profunda sobre cómo se construye el cofactor necesario para la actividad de la nitrogenasa y clarifica la evolución entre NifEN y NifDK. Según los científicos involucrados, desentrañar este proceso es crucial para replicarlo en sistemas no nativos, como células eucariotas.
“Alcanzar la biosíntesis de cofactores en estos huéspedes podría permitir eventualmente ensamblar una nitrogenasa completamente funcional dentro de las células vegetales”, concluye Rubio. Este progreso podría allanar el camino hacia cultivos capaces de fijar su propio nitrógeno, promoviendo así una agricultura más sostenible con menos dependencia de fertilizantes sintéticos.
La fijación biológica del nitrógeno es un proceso mediante el cual ciertos microorganismos, como las bacterias, convierten el nitrógeno atmosférico en formas de nitrógeno que son asimilables por las plantas. Este proceso es mediado por enzimas llamadas nitrogenasas.
Las nitrogenasas son enzimas esenciales que permiten la transformación del nitrógeno atmosférico en amonio, un compuesto que las plantas pueden utilizar para producir nutrientes. Sin estas enzimas, la mayoría de los organismos no podrían metabolizar el nitrógeno presente en la atmósfera.
El estudio identificó una estructura molecular clave en la ruta de biosíntesis del cofactor de las nitrogenasas, lo que podría permitir a las plantas desarrollar la capacidad de fijar su propio nitrógeno y reducir así la dependencia de fertilizantes sintéticos.
Los investigadores utilizaron microscopía electrónica criogénica (crio-EM) para capturar imágenes del ensamblaje del cofactor de la nitrogenasa, revelando un proceso dinámico en la proteína NifEN que actúa como un andamio para completar este ensamblaje.
Este descubrimiento podría allanar el camino para cultivos capaces de fijar su propio nitrógeno, lo que resultaría en una agricultura más sostenible y con menor dependencia de fertilizantes sintéticos.