En la década de 1980, Howard-Yana Shapiro, ahora jefe de agricultura en Mars, Incorporated, estaba buscando nuevos tipos de maíz. Estaba en el Distrito Mixes de Oaxaca, en el sur de México, el área donde los precursores del maíz (también conocido como maíz) evolucionaron por primera vez, cuando localizó algunos de los granos más extraños jamás vistos. No solo tenía entre 16 y 20 pies de altura, empequeñeciendo las cosas de 12 pies en los campos estadounidenses, sino que tardó entre seis y ocho meses en madurar, mucho más que los 3 meses necesarios para el maíz convencional. Sin embargo, creció a esas alturas impresionantes en lo que se puede llamar caritativamente tierra pobre, sin el uso de fertilizantes ... Pero la parte más extraña del maíz eran sus raíces aéreas: protuberancias verdes y de color rosa, como dedos que sobresalen de la tallo de maíz, goteando con un gel transparente y almibarado.
Shapiro sospechaba que esos dedos mucosos podrían ser el Santo Grial de la agricultura. Él creía que las raíces permitían que esta variedad única de maíz, llamada Sierra Mixe y criada localmente durante cientos o incluso miles de años, produjera su propio nitrógeno, un nutriente esencial para los cultivos que generalmente se aplica como fertilizante en cantidades épicas.
La idea parecía prometedora, pero sin herramientas de ADN para analizar los detalles de cómo el maíz estaba produciendo nitrógeno, el descubrimiento se archivó. Casi dos décadas después, en 2005, Alan B. Bennett, de la Universidad de California, Davis, junto con Shapiro y otros investigadores, comenzó a usar tecnología de punta para analizar las propiedades de fijación de nitrógeno del maíz flemático, y descubrió que, de hecho, Las bacterias que viven en el moco extraían nitrógeno del aire y lo transformaban en una forma que el maíz podía absorber.
Ahora, después de más de una década de investigación de campo y análisis genético, el equipo ha publicado su trabajo en la revista PLOS Biology. Si el rasgo de fijación de nitrógeno se puede criar en el maíz convencional, lo que le permite producir incluso una parte de su propio nitrógeno, podría reducir el costo de la agricultura, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y detener uno de los principales contaminantes en lagos, ríos y Oceano. En otras palabras, podría conducir a una segunda revolución del nitrógeno.
La producción sintética de nitrógeno puede ser el mayor logro del siglo XX. El descubrimiento del proceso de Haber-Bosch y sus refinamientos, en los que el nitrógeno se elimina del aire a altas temperaturas y presión en presencia de un catalizador, ha dado lugar a tres premios Nobel por separado. Y son bien merecidos. Se estima que el rendimiento de los cultivos aumentó más del doble entre 1908 y 2008, con un fertilizante de nitrógeno sintético responsable de hasta la mitad de ese crecimiento. Algunos investigadores han vinculado el crecimiento masivo de la población humana en los últimos setenta años con el mayor uso de fertilizantes nitrogenados. Sin ella, tendríamos que cultivar casi cuatro veces más tierra o tener miles de millones de personas menos en el mundo.
Pero producir todo ese nitrógeno tiene consecuencias. Se estima que la fabricación de fertilizantes a través del proceso Haber-Bosch utiliza entre el 1 y el 2 por ciento de la energía mundial, emitiendo muchos gases de efecto invernadero. Y el nitrógeno sintético se lava rutinariamente de los campos hacia las vías fluviales, lo que lleva a la proliferación masiva de algas que absorben todo el oxígeno, matando peces y otros organismos. Se deposita tanto nitrógeno en los ríos y arroyos que se han desarrollado grandes zonas muertas en las desembocaduras de los ríos del mundo, incluido uno en el Golfo de México que el año pasado era del tamaño de Nueva Jersey. Mark Sutton, del Centro de Ecología e Hidrología del Reino Unido, llama al nitrógeno “el padrino de la contaminación”: sus efectos están en todas partes, pero nunca se ve realmente al culpable.
Los investigadores incluso trasplantaron el maíz a Madison, Wisconsin, y descubrieron que aún era capaz de producir su propio nitrógeno a partir de su entorno nativo. (Foto: Jean-Michel Ané) Pero no podemos dejar el nitrógeno sin ver grandes reducciones en la agricultura. Si bien una mejor gestión y prácticas agrícolas pueden ayudar a mantenerlo alejado de las vías fluviales, esas estrategias no son suficientes para solucionar los problemas ecológicos del nitrógeno. Es por eso que los investigadores se han preguntado durante décadas si había una manera de ayudar a los cultivos de cereales como el maíz y el trigo a producir su propio nitrógeno.
La idea no es tan descabellada como parece. Muchas plantas, en particular las legumbres como la soja, el maní y el trébol, tienen una relación simbiótica con la bacteria Rhizobium, que les produce nitrógeno. Las plantas crecen nódulos de raíz donde las bacterias se instalan y beben azúcares de las plantas mientras convierten el nitrógeno en el aire en una forma que las plantas pueden usar. Si se pudiera encontrar una relación simbiótica similar que funcione en cultivos de cereales como el maíz y el trigo, los investigadores creen que podríamos reducir nuestro uso del contaminante.
Es por eso que el maíz mucoso es tan importante, y por qué Bennett y su equipo pasaron ocho años estudiando y volviendo a estudiar las bacterias y el gel para convencerse de que el maíz era capaz de producir su propio nitrógeno. Utilizando la secuenciación de ADN, pudieron mostrar a los microbios en el limo los genes transportados para fijar el nitrógeno y demostraron que el gel que excreta el maíz, que es alto en azúcar y bajo en oxígeno, está perfectamente diseñado para fomentar la fijación de nitrógeno. Utilizando cinco pruebas diferentes, demostraron que el nitrógeno producido por los microbios llegó al maíz, proporcionando del 30 al 80 por ciento de las necesidades de la planta. Luego produjeron una versión sintética del limo y lo sembraron con los microbios, descubriendo que también producían nitrógeno en ese entorno. Incluso cultivaron Sierra Mixe en Davis, California, y Madison, Wisconsin, lo que demuestra que podría realizar su truco especial fuera de su territorio en México.
"Este mecanismo es totalmente diferente del que usan las legumbres", dice Bennett, y agrega que también puede existir en otros cultivos. “Ciertamente es concebible que existan tipos similares de sistemas en muchos cereales. El sorgo, por ejemplo, tiene raíces aéreas y mucílago. Quizás otros tienen mecanismos más sutiles que ocurren bajo tierra que podrían existir más ampliamente. Ahora que somos conscientes, podemos buscarlos ".
El coautor Jean Michel-Ane, de la Universidad de Wisconsin, Madison, está de acuerdo en que este descubrimiento abre todo tipo de nuevas posibilidades. “Diseñar maíz para fijar nitrógeno y formar nódulos de raíz como las legumbres ha sido un sueño y una lucha de los científicos durante décadas. Resulta que este maíz desarrolló una forma totalmente diferente de resolver este problema de fijación de nitrógeno. La comunidad científica probablemente subestimó la fijación de nitrógeno en otros cultivos debido a su obsesión con los nódulos radiculares ”, dice en un comunicado. "Este maíz nos mostró que la naturaleza puede encontrar soluciones a algunos problemas mucho más allá de lo que los científicos podrían imaginar".
Resulta que la naturaleza tiene más trucos que producen nitrógeno bajo la manga que los investigadores solo están manejando. Hay varios otros proyectos en curso destinados a obtener cultivos de cereales y hortalizas para hacer el Haber-Bosching por nosotros. Uno de los más prometedores es el uso de endófitos, o microorganismos como bacterias y hongos que viven en los espacios intercelulares de las plantas. La investigadora de la Universidad de Washington Sharon Doty se interesó por los organismos hace un par de décadas. Estaba estudiando sauces y álamos, que se encuentran entre los primeros árboles que crecieron en tierras perturbadas después de eventos como una erupción volcánica, inundaciones o caída de rocas. Estos árboles crecían fuera de la grava del río, casi sin acceso al nitrógeno en el suelo. Sin embargo, dentro de sus tallos, Doty encontró endófitos que fijaban el nitrógeno de los árboles, sin necesidad de nódulos de raíz. Desde entonces, ha descubierto docenas de diversas cepas endófitas, muchas de las cuales ayudan a las plantas de manera sorprendente. Algunos producen nitrógeno o fósforo, otro nutriente importante, mientras que otros mejoran el crecimiento de las raíces y algunos permiten que las plantas sobrevivan en condiciones de sequía o alta salinidad.
"[Hay] una gran cantidad de microbios diferentes que pueden fijar el nitrógeno y una amplia gama de especies de plantas afectadas por ellos", dice ella. Sus pruebas han demostrado que los microbios pueden duplicar la productividad de las plantas de pimiento y tomate, mejorar el crecimiento del arroz e impartir tolerancia a la sequía a árboles como los abetos de Douglas. Algunos incluso permiten que los árboles y las plantas absorban y descompongan los contaminantes industriales y ahora se están utilizando para limpiar los sitios de Superfund. “La ventaja de usar endófitos es que es un grupo realmente grande. Hemos encontrado cepas que funcionan con arroz, maíz, tomates, pimientos y otras plantas de cultivo agrícolamente importantes ".
De hecho, los endófitos podrían llegar a manos de los agricultores más temprano que tarde. IntrinsyxBio, con sede en Los Altos, California, está comercializando algunos de los endófitos de Doty. El director científico John L. Freeman dice en una entrevista que la compañía está en camino de tener un producto listo para el mercado en 2019. El objetivo es entregar varias cepas de endófitos en las plantas, probablemente cubriendo las semillas. Después de que esas bacterias se instalen dentro de la planta, deben bombear alrededor del 25 por ciento del nitrógeno que necesita.
Otra compañía de biotecnología, llamada Pivot Bio, anunció recientemente que está probando beta una solución similar, utilizando microbios fijadores de nitrógeno que crecen en los sistemas de raíces del maíz.
El nuevo campo emergente de la biología sintética también está resolviendo el problema del nitrógeno. Joyn Bio, con sede en Boston, formada en septiembre pasado, es un coproyecto entre Bayer y Ginkgo Bioworks, una empresa de biotecnología con experiencia en la creación de levaduras y bacterias personalizadas para la industria de alimentos y saborizantes, entre otros proyectos de "microbios de diseño". Joyn actualmente está revisando la biblioteca de Bayer de más de 100, 000 microbios para encontrar un huésped que pueda colonizar con éxito las plantas, similar a los endófitos de Doty. Luego esperan modificar ese "chasis host" con genes que le permitirán reparar el nitrógeno. "En lugar de confiar en la naturaleza y encontrar un microbio mágico, que no creemos que exista, queremos encontrar nuestro microbio huésped y ajustarlo para hacer lo que necesitamos para el maíz o el trigo", dice el CEO de Joyn, Michael Miille. .
La Fundación Gates también participa en el juego, apoyando proyectos que intentan impartir las capacidades de fijación de nitrógeno de las legumbres en los cereales. Otros equipos esperan que el advenimiento de la computación cuántica sobrealimentada abra nuevos ámbitos de la química e identifique nuevos catalizadores que harán que el proceso Haber-Bosch sea mucho más eficiente.
Si bien es poco probable que una sola solución pueda reemplazar el 100 por ciento del fertilizante sintético que usan los humanos, tal vez en conjunto estos proyectos podrían hacer una gran mella en la contaminación por nitrógeno. Bennett espera que Sierra Mixe y lo que su equipo haya aprendido de él sea parte de la revolución del nitrógeno, aunque admite que es un salto muy largo antes de que sus viscosos dedos de maíz comiencen a producir nitrógeno en cultivos convencionales. Ahora quiere identificar los genes que producen las raíces aéreas y determinar cuáles de los miles de microbios descubiertos en el mucílago están realmente fijando el nitrógeno.
"Creo que lo que estamos haciendo podría ser complementario a esos enfoques [de biología sintética y endófita", dice. "Creo que veremos muchas estrategias divergentes, y en 5 a 10 años surgirá algo que afecte la forma en que el maíz obtiene nitrógeno".
Nota del editor 15/8/18: Un borrador anterior de este artículo escribió mal el nombre de John L. Freeman e identificó erróneamente su compañía actual.
