Avances hacia cultivos capaces de fijar su propio nitrógeno
Un estudio coliderado por el CSIC desvela la estructura dinámica de una proteína esencial en la construcción del cofactor de la nitrogenasa, un paso clave hacia cultivos que puedan obtener parte de su fertilización a partir del nitrógeno atmosférico
El nitrógeno atmosférico es el gas más abundante de la Tierra, pero en su forma molecular resulta inerte para la mayoría de los seres vivos. Las plantas solo pueden aprovecharlo gracias a un reducido grupo de microorganismos del suelo o a bacterias que establecen relaciones simbióticas con sus raíces. Estos microorganismos utilizan nitrogenasas, enzimas muy sensibles al oxígeno que transforman el nitrógeno del aire en amonio, la forma a partir de la cual se sintetizan numerosos nutrientes.
En este contexto, un equipo internacional del Institut de Biologie Structurale (IBS) de Grenoble y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha identificado una estructura molecular clave en la ruta de biosíntesis del cofactor de las nitrogenasas, un componente esencial que permite a estas enzimas llevar a cabo la reacción de fijación biológica del nitrógeno. El trabajo se ha publicado en la revista Nature Chemical Biology y abre la puerta a cultivos más sostenibles, capaces de fijar parte de su propio nitrógeno y reducir así la dependencia de fertilizantes sintéticos.
Nitrogenasa, cofactor y fijación biológica del nitrógeno
En la fijación biológica del nitrógeno, las nitrogenasas transforman el nitrógeno atmosférico en amonio mediante una reacción compleja. Para funcionar, estas enzimas dependen de un cofactor metálico, un componente molecular que se une a la nitrogenasa y le permite realizar la conversión de N₂ a formas asimilables.
La construcción de este cofactor es un proceso muy preciso que se desarrolla en varias etapas y requiere la participación de numerosas proteínas. Entre ellas destaca NifEN, que actúa como un andamio donde se completan las fases finales del ensamblaje del cofactor antes de incorporarse a la nitrogenasa NifDK, responsable directa de la fijación del nitrógeno.
Hasta ahora se desconocía con detalle cómo era la configuración estructural que permitía a NifEN desempeñar este papel central en la fijación biológica del nitrógeno.
Una estructura molecular dinámica que actúa como “compuerta”
El nuevo estudio, dirigido por Yvain Nicolet y Mickaël Cherrier (IBS) junto a Luis Rubio, investigador del CSIC en el Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (CBGP, centro mixto UPM–INIA–CSIC), ha utilizado microscopía electrónica criogénica (crio-EM) para obtener imágenes de alta resolución del ensamblaje del cofactor de la nitrogenasa.
Las imágenes revelan que NifEN presenta un comportamiento estructural dinámico. Diferentes partes de la proteína se mueven y reorganizan para actuar de forma similar a una compuerta que se abre y se cierra. Este movimiento facilita el desplazamiento del precursor del cofactor, un complejo intermedio, desde la superficie hasta una cavidad interna de la proteína.
Esa cavidad funciona como un auténtico taller molecular, donde se añaden los componentes restantes que transforman el precursor en el cofactor metálico final. Los investigadores han identificado estados intermedios de NifEN en los que el precursor aparece en tránsito entre la superficie y el interior, lo que indica que la transformación no se produciría en la superficie de la proteína, como se había sugerido previamente, sino dentro de su cavidad interna.
Un paso hacia una agricultura menos dependiente de fertilizantes
Este hallazgo supone un avance importante en la comprensión del proceso molecular por el que se construye el cofactor de la nitrogenasa y ayuda a explicar la división evolutiva entre NifEN, especializada en la construcción del cofactor, y la nitrogenasa NifDK, encargada de la fijación biológica del nitrógeno.
Según los investigadores, comprender este proceso con tanto detalle es un paso clave para poder reproducirlo en sistemas no nativos, como las células eucariotas. Lograr la biosíntesis completa de cofactores en estos huéspedes podría, en última instancia, permitir el ensamblaje de una nitrogenasa funcional en células vegetales, lo que abriría la puerta a cultivos capaces de fijar parte de su propio nitrógeno.
Este tipo de avances apunta a una agricultura más sostenible, en la que los cultivos reduzcan su dependencia de fertilizantes nitrogenados sintéticos, con beneficios potenciales tanto ambientales como económicos para los sistemas de producción.
Fuente
Payá Tormo, L., Nguyen, TQ., Fyfe, C. et al. Dynamics driving the precursor in NifEN scaffold during nitrogenase FeMo-cofactor assembly. Nature Chemical Biology. DOI: https://doi.org/10.1038/s41589-025-02070-4
