La producción de nitrógeno es un proceso esencial para la vida en la Tierra, ya que este elemento es fundamental en la formación de aminoácidos y ácidos nucleicos, componentes vitales para el crecimiento y funcionamiento celular. A pesar de que el 80% de la atmósfera está compuesta por nitrógeno, este se presenta en forma de dinitrógeno (N2), que no puede ser utilizado por la mayoría de los organismos. Por lo tanto, es necesario que este nitrógeno sea convertido, o «fijado», en una forma utilizable por las plantas, comúnmente en forma de amoníaco.
Existen dos métodos para fijar nitrógeno: uno industrial y otro biológico. Investigadores de la Universidad de California en San Diego, encabezados por el profesor Akif Tezcan y el profesor asistente Mark Herzik, han realizado un estudio publicado en Nature que profundiza en el proceso biológico.
El método biológico y su importancia
El método industrial, conocido como proceso Haber-Bosch, permite la producción a gran escala de fertilizantes sintéticos, lo que ha incrementado notablemente los rendimientos agrícolas. Sin embargo, este proceso es intensivo en energía, requiere altas temperaturas y presiones, y depende de grandes cantidades de hidrógeno, que se obtienen mediante la quema de combustibles fósiles, contribuyendo así a las emisiones de gases de efecto invernadero.
Por otro lado, el método biológico implica la acción de bacterias fijadoras de nitrógeno, conocidas como diazotrofos, que utilizan una enzima llamada nitrogenasa. Este proceso ocurre a presiones y temperaturas ambiente y no genera emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, la nitrogenasa necesita grandes cantidades de energía en forma de adenosina trifosfato (ATP), que la mayoría de los diazotrofos producen mediante la respiración celular, un proceso que implica el uso de oxígeno. Esto plantea un dilema, ya que la nitrogenasa es altamente sensible al oxígeno, lo que ha llevado a los científicos a cuestionar cómo estas bacterias logran producir ATP mientras protegen la nitrogenasa de los efectos perjudiciales del oxígeno.
Los diazotrofos tienen mecanismos de seguridad para proteger la nitrogenasa, pero la penetración de oxígeno es inevitable. Para contrarrestar esto, algunos emplean un «método de último recurso» conocido como mecanismo de protección conformacional. Este mecanismo implica la acción de una proteína de hierro y azufre llamada FeSII, que detecta niveles crecientes de oxígeno en la célula y se une al complejo enzimático nitrogenasa, protegiéndolo de daños y deteniendo la producción de amoníaco. Cuando los niveles de oxígeno disminuyen, FeSII se desenganchan y la producción de amoníaco se reanuda.
A pesar de que la existencia de la proteína FeSII era conocida, el mecanismo mediante el cual protege la nitrogenasa del daño por oxígeno no había sido esclarecido hasta ahora. Los investigadores utilizaron diversas técnicas, incluyendo la microscopía electrónica criogénica (cryoEM), para obtener imágenes de alto nivel de detalle sobre cómo funciona este mecanismo de protección.
La investigadora principal, Sarah Narehood, destacó que este trabajo resalta la importancia de los avances interdisciplinarios en la elucidación de las dinámicas estructurales de sistemas naturales complejos. A través de la técnica de reconstrucción de partículas individuales en cryoEM, el equipo logró visualizar las estructuras, revelando que FeSII se sitúa entre dos proteínas de nitrogenasa, formando filamentos que bloquean el acceso del oxígeno a los cofactores metálicos sensibles de las proteínas de nitrogenasa.
Los experimentos de dispersión de rayos X a pequeño ángulo (SAXS) mostraron que FeSII cambia de forma en presencia y ausencia de oxígeno. Este cambio de forma permite que FeSII se ajuste perfectamente entre las otras proteínas cuando hay oxígeno, creando filamentos que protegen a la nitrogenasa. Cuando los niveles de oxígeno bajan, FeSII relaja su estructura, lo que provoca la disociación de los filamentos y la reactivación de la nitrogenasa.
El equipo también utilizó una ultracentrífuga analítica para analizar las masas de las diferentes proteínas, confirmando que FeSII efectivamente agrupa las proteínas de nitrogenasa en grandes ensamblajes cuando detecta oxígeno. Con el mecanismo de protección de la nitrogenasa ahora esclarecido, los investigadores buscan observar este proceso en acción dentro de células vivas, utilizando técnicas de cryoEM torovidemografía para visualizar en 3D la célula diazotrófica mientras fija nitrógeno.
A pesar de que la nitrogenasa es una de las enzimas más críticas para la biosfera, muchos de sus detalles moleculares aún se desconocen. Comprender cómo funciona el mecanismo de protección conformacional tiene importantes implicaciones prácticas. Si se logra codificar la maquinaria de la nitrogenasa en células vegetales, se podría reducir la necesidad de fertilizantes artificiales, disminuyendo así las emisiones de gases de efecto invernadero sin comprometer los rendimientos agrícolas, un objetivo crucial para una población en crecimiento en un planeta cada vez más contaminado.
