Las plantas no son mágicas. Para crecer necesitan energía y nutrientes. La primera la obtienen de la luz solar a través de la clorofila (Combustible para la vida). Los nutrientes en cambio, tienen que obtenerlos del suelo. Lo que se requieren son muchos y muy variados, pero sin duda que el más importante es el nitrógeno.

Lavoisier llamó al nitrógeno "azoe" que significa "sin vida", y ello porque lo veía diferente al oxígeno que era el otro componente del aire, que ya tenía claro que era esencial para la respiración y por lo tanto la vida. Hoy, con el avance del conocimiento, ese nombre que le puso Lavoisier parece irónico, ya que se sabe que el nitrógeno es absolutamente indispensable tanto para la vida animal como la vegetal. El nitrógeno es un componente esencial de todos los aminoácidos y estos unidos en cadenas, son los que constituyen las proteínas. A su vez, las proteínas constituyen tanto las estructuras de la células y además tienen a su cargo todas las funciones bioquímicas que ellas deben desarrollar para mantener la vida (enzimas). Desde un punto de vista práctico, todas las enzimas son proteínas y estas son las que permiten que las reacciones bioquímicas sean posibles a la temperatura y pH de la célula. Es decir, sin nitrógeno, no es posible la vida.

El nitrógeno es el elemento más abundante de la atmósfera (el 78% está constituido por nitrógeno). Parece paradójico que siendo el más abundante, es el más difícil de conseguir. La razón es que el nitrógeno del aire es inerte y no puede ser directamente aprovechado por los vegetales ni tampoco por los animales. Es que el nitrógeno atmosférico está inmovilizado entre sí mediante un triple enlace muy estable y muy fuerte (N₂)(ver fig. 1), y en estas condiciones no puede ser utilizado por las plantas ni los animales. Para que pueda ser utilizado, hay que romper esos enlaces y fijar o unir el nitrógeno a otros elementos, como el hidrógeno u oxígeno. Sólo en estas condiciones, el nitrógeno puesto en el suelo es absorbido por las raíces de las plantas. A partir de este nitrógeno, bajo la forma de iones nitrato (NO₃) o amonio (NH₄), los vegetales inician la fabricación de los aminoácidos, y por ende sus proteínas.


Fertilizantes nitrogenados

En el siglo pasado, descubrieron en la zona norte del país, los grandes depósitos de nitrógeno, en forma de nitratos. Este nitrógeno sí que era absorbido y utilizado por las plantas, y al agregarlo a la tierra, las plantas crecían y daban abundantes frutos. Se trataba de un fertilizante natural, que en esa región parecía ser el único gran depósito del mundo. Esa zona había sido fondo de mar, y sobre él se depositó el nitrato por miles de años. Sin duda, era una riqueza fantástica, que provocó una guerra: la "Guerra del Pacífico".

Para Chile la bonanza no duró mucho, porque a comienzos de este siglo, Fritz Haber y Karl Bosh describieron un proceso, por medio del cual era posible utilizar el nitrógeno del aire. Mediante él, se conseguía la ruptura de las uniones de los átomos de nitrógeno y luego fijar éste al hidrógeno u oxígeno. El hidrógeno necesario para el proceso se extraía del gas natural o del petróleo, pero para ello se requería de gran presión y temperatura (50 atmósferas y una temperatura de 500°C). La energía necesaria para ello nuevamente la proporcionaba el petróleo. Nació así el fertilizante nitrogenado artificial.


Nuevamente la ciencia

Hace más de 15 años se descubrió que este proceso hecho en forma industrial (fijar nitrógeno inerte, transformándolo en amonio), lo podían realizar también algunas bacterias y algas unicelulares microscópicas (ciano-bacterias), por un método enzimático, que como tal se realiza a la temperatura ambiental y no tiene necesidad de alta presión. Se trata de la enzima (nitrogenasa), que posee la bacteria y que es capaz de fijar el nitrógeno de la atmósfera. Pero más interesante aún fue descubrir que estos microorganismos se asociaban con las plantas. Ellos se fijaban en las raíces de ellas, tomaban el nitrógeno del aire, formaban amonio y ponían éste a disposición de las plantas. Este proceso asociativo, era exclusivo de ciertas plantas: las leguminosas (soya, trébol, alfalfa). Bacterias, perteneciente al género Rhizobium, desarrollan esta función.

Este hallazgo explica algo que los agricultores habían observado empíricamente desde hace muchos años: la necesidad de rotación de los cultivos. "Después de sembrar trigo o maíz, hay que sembrar leguminosas, porque ellas enriquecen el suelo", decían los agricultores y tenían razón.

El proceso simbiótico entre leguminosas y Rhizobium es perfecto: las bacterias se fijan en nódulos a las raíces de las plantas y éstas les proporcionan los hidratos de carbono que necesitan los Rhizobium a cambio de lo cual las plantas reciben nitrógeno fijado. Las plantas también protegen a las bacterias del oxígeno del aire que les es nocivo (gérmenes anaeróbicos) y que le destruyen la vital enzima "nitrogenasa". ¡Un ejemplo perfecto de solidaridad!.

Pareciera ser que en etapas tempranas de la evolución, las plantas también tenían la capacidad de fijar nitrógeno atmosférico, pero tal vez la perdieron al encontrarlo disponible en el suelo. Desgraciadamente estaba allí en cantidad limitada, del modo que cuando se incrementó la vida vegetal en el planeta, su disponibilidad pasó a ser el factor limitante. Sólo las leguminosas encontraron una solución apropiada, asociándose a estas bacterias tan especiales.


La búsqueda desenfrenada

Desde que se conoció esta peculiaridad, tanto de bacterias que fijaban nitrógeno, como de esta asociación con leguminosas, se ha desatado una febril investigación en el mundo entero, que de tener éxito, significaría que el proceso similar podría aplicarse a otras plantas, como trigo o arroz y que no sería necesario fertilizar la tierra con nitratos. Ello aumentaría notablemente la producción y ahorraría sus costos. Las investigaciones van en dos sentidos, tratando de contestar dos preguntas claves: a.- Cómo logran las bacterias romper la estructura química de N₂ y fijar el nitrógeno, realizando todo el proceso a la presión atmosférica y la temeperatura ambiente y b.- Cómo funciona la simbiósis para que el nitrógeno fijado sea utilizado por la planta.

El sueño del bioquímico es poder imitar el proceso biológico que son capaces de desarrollar las bacterias, convirtiendo el N₂ atmosférico en amonio, evitándose así el costoso proceso industrial actual. Las bacterias (Rizobium), no tienen necesidad ni de alta presión ni de elevadas temperaturas, y logran fijarlo, mediante una enzima: la nitrogenasa. El ideal sería disponer de una sintética sintética que realizara todo el proceso. Pero eso no es fácil, porque por una parte, la estructura de la enzima es una compleja proteína, y por otra no se conocen las distintas fases del proceso en sus estados intermedios. Previamente debe conocerse muy bien el sitio activo de la enzima y como éste maneja en las distintas fases el nitrógeno, para romper su unión y terminar formando amonio. Ya se sabe que en el sitio activo de la enzima hay un átomo de molibdeno lo que fue descubierto en 1993. Pero más tarde se descubrió también que este átomo está en un claustro formado por hierro y azufre, lo que es diferente a todo lo esperado. En la actualidad se trabaja en modelos computacionales, tratando de predecir qué átomos actúan en cada fase (New Scientist, Julio 05, 1997, pág. 24), hasta terminar en la formación de urea. El modelo muestra como el nitrógeno (N₂) entra al bolsillo de la proteína y se introduce al paquete de molibdeno-hierro azufre, donde un átomo de nitrógeno se une a 4 átomos de hierro. Mientras tanto el otro átomo de nitrógeno es atacado por tres átomos de hidrógeno para formar una molécula de amonio. Esto deja descubierto al segundo átomo de nitrógeno para ser también atacado por más hidrógeno. Esta es la teoría, ahora hay que realizarlo en la práctica, lo que hasta ahora no se ha logrado. Es posible que en el futuro, con las nuevas tecnologías que se van describiendo, se llegue a cumplir este sueño de poder imitar lo que la naturaleza hace con tan poco costo.

Mientas tanto, se busca también por otro lado conocer mejor cómo lo hace la bacteria y cómo funciona esta curiosa simbiósis. Si ello se llegara a descubrir, podría tal vez mejorarse el proceso, o por último ver en qué forma otras plantas como el arroz y el trigo, pudieran también hacerlo.

Las investigaciones sobre la asociación bacteria-planta, han ido avanzando bastante. Se ha visto por ejemplo, que las pocas horas que el bacterio se pone en contacto con la raíz de la planta, le comienzan a crecer pequeños pelos, cada uno de ellos nacidos de una célula de la raíz. Posteriormente, estos comienzan a envolver a la bacteria. Luego la bacteria se mueve lentamente entre las raíces de los pelos y comienza a fabricarse un túnel para penetrarlas. Luego sus paredes se van recubriendo de células frescas. Mientras tanto en la raíz de la planta comienzan las células a dividirse y reorganizarse. Nueve días después se ha completado un nódulo que hospeda a miles de bacterias, que comienzan a fijar nitrógeno como locas fig. 1).

Otras células de la misma planta, también se muestran muy activas, convirtiendo el amonio producido por la bacteria en material orgánico, para después distribuirlo al resto de la planta.

Esto es lo que se ve ¿Pero qué sucede desde el punto de vista bioquímico?. Está claro que el proceso lo inicia la planta, emanando moléculas conocidas como flabonoides que penetran la bacteria e interactúan con una proteína bacterina que parece esencial. Esta es codificada por un gene que está en el DNA de la bacteria. Cuando el flanoboide penetra la bacteria, despierta algunos genes claves en ella, llamados "nod" (nodulación). Las enzimas codificadas por los genes "nod" le indican a la planta que proceda a construir el nódulo (factor nod).

Fue sólo en 1990 que se identificó el primer factor nod para planta de alfalfa. Ahora los científicos ya conocen toda una bacteria de factores nod, para un amplio rango de legumbres, desde guisantes, hasta alfalfa y soya (fig. 2).

También se ha descrito que todas estas moléculas (factores nod), que consisten en un fragmento corto y modificado de "quinita", la misma sustancia química que constituye la caparazón de las jaibas, pero con ciertas variables para cada planta. Así por ejemplo el factor nod del Risobium del guisante, tiene un grupo acetato, mientras que el nod del risobium melioti que nodula en la alfalfa, tiene un sulfato y un acetato.

Es interesante que cada planta identifica el correspondiente factor nod y responde de acuerdo a él. Más aún, no se necesita la presencia de la bacteria. Sólo basta colocar una pequeña cantidad del factor nod correspondiente, para que la planta inicie la formación del nódulo. Las investigaciones han continuado y parece ser que el proceso no es sólo exclusivo de las legumbres. Jeff Shell y colaboradores del Instituto Max Plack en Colonia, han encontrado un factor nod que estimula el crecimiento en las células del tabaco. El cree que receptores para factores nod estarían presentes si no en todas, en muchas plantas. Más aún, dice que no se sorprendería que estuvieran presentes también en el reino animal. Phil Robbins del Massachusetts Institute of Tecnology (Boston)ha encontrado esta cadena corta de quitina, que forma la base de todos los factores nod, en embriones del pez cebra y en los dedos del sapo Africano, dos animales que los biólogos usan frecuentemente para estudiar el proceso del desarrollo, Herman Spaink y colaboradores de la Universidad de Leiden en holanda, tratan a embriones de ratas con enzimas que destruyen la cadena de quitina y ello provoca desastrosas consecuencias posteriores en estos embriones.

Todas estas investigaciones desarrolladas por diferentes grupos, parecen que están acercando a hacer realidad el sueño de lograr nodulaciones en plantas que normalmente no lo hacen como son el caso del arroz y el trigo, con lo que se lograría prescindir de los fertilizantes en su cultivo. Ello sería un gran avance científico, que permitiría dar respuesta a las necesidades de alimentación del mundo de hoy y mañana (New Scientist, Junio 11, 1997, pág. 22).


Otra noticia inesperada

Siguiendo otro camino, recientemente Bárbara Rienhart y Thomas Hurec del Instituto Max Plack de Alemania, afirman que han descubierto una bacteria, hasta ahora desconocida (Leptocloafusca), que también fija nitrógeno y que coloniza la raíz del arroz. La bacteria pertenece a un nuevo género que se ha llamado Azoarcus.

Según los investigadores, la planta de arroz colonizada por esta bacteria crece entre un 10% a un 20% más que las plantas control no colonizadas. Si ello se confirma, significaría también que el proceso de nodulación no estaría restringido sólo a las leguminosas. Sin duda que ello es una buena noticia.