Es bien sabido que en los nódulos de las raíces de las leguminosas se encuentran bacterias, por lo general los miembros del género Rhizobium, que rompen el fuerte enlace triple entre las moléculas de nitrógeno en el aire y vuelven a empaquetar los átomos de nitrógeno en compuestos químicos que la planta puede utilizar. A cambio, la planta suministra a las bacterias con la energía necesaria en forma de azúcar para dividir las moléculas de nitrógeno.
Las asociaciones leguminosas-rhizobium generan más nitrógeno para las plantas que todos los fertilizantes industriales utilizados en la actualidad, y proporcionan la cantidad adecuada de nitrógeno en el momento adecuado.
Por el contrario, la mayor parte del fertilizante sintético aplicado a los campos agrícolas se desperdicia, mojando el suelo y yendo hacia los cursos de agua o evaporándose a la atmósfera en forma de óxido nitroso, convirtiéndose en un riesgo ambiental y un riesgo para la salud.
Los agricultores ya pueden comprar biofertilizantes ricos en rhizobium para aumentar la formación de nódulos y mejorar la calidad del suelo sin fertilizantes sintéticos. Pero los científicos están comenzando a hablar de cultivar plantas de reingeniería para que, como las leguminosas, tengan los sistemas de fijación de nitrógeno, ya sea como nódulos en las raíces o en las propias células de la planta.
Para ello, los científicos necesitan entender los mecanismos biológicos de fijación de nitrógeno tan a fondo como un mecánico entiende las válvulas y pistones del motor de un coche. La diferencia es que la maquinaria biológica es demasiado pequeña para ser visible a simple vista.
La ciencia dio un paso más cerca a este objetivo hace poco, cuando un equipo de la Universidad de Washington en St. Louis elaboró la estructura de una proteína llamada NolR que actúa como un interruptor maestro de apagado para el proceso de nodulación. Mediante la construcción de un modelo atómico exacto de la proteína, ellos fueron capaces de ver exactamente cómo reconoce y encaja éste en los genes para evitar que las bacterias se embarquen en una vida como simbionte.
El proceso de nodulación es muy raro. En primer lugar, las plantas y las bacterias del suelo se involucran en un diálogo molecular para asegurarse de que son socios compatibles. La planta huésped libera un cóctel de sustancias químicas llamadas flavonoides que son percibidos por una proteína bacteriana llamada NodD, el cual activa los genes nod (de nodulación). Juntos, los genes nod expresan una molécula grande y compleja llamada factor nod.
El factor nod desencadena en la planta la facultad para que esta cree un circuito de infección, o un tubo a través del cual las bacterias se desplazan profundamente en la raíz , en donde están envueltos en una membrana que la planta ha sintetizado y secuestrado en vesículas dentro de las células de la corteza de la raíz de un nódulo. El metabolismo de estas bacterias e incluso su capacidad de reproducción están tan alterados que son como diferentes organismos, por ello son llamados bacteroides en lugar de bacterias.
Los científicos que trabajaron en la genética de la formación de nódulos en la década de los 80s y principios de los 90s, identificaron a NodD, un interruptor maestro de encendido para los genes nod, y a NolR, un interruptor maestro de apagado que actúa incluso en términos más generales, apagando los genes nod , NodD, y otros genes necesarios para la vida como un simbionte.
Segun Joseph Jez, PhD y profesor asociado de biología en Artes y Ciencias de la Universidad de Washington, las bacterias tienen la capacidad de activar un montón de genes para la nodulación y la simbiosis, pero es necesario mantenerlos apagados el tiempo en que son de vida libre y ese es el papel que cumple la proteína NolR.
El trabajo que llevan a cabo estos cientificos consiste en averiguar cómo se pliega la larga y filiforme molécula de proteína en sí misma para formar una maraña de hélices y cintas, y luego cómo la molécula plegada cabe en el ADN y se une con él.
Desafortunadamente, el plegamiento de las proteínas es un problema notoriamente difícil, uno aún más allá del alcance de los cálculos por ordenador. Así que la mayoría de las estructuras proteicas están siendo resueltas por cristalización de la proteína y luego irradiación del cristal con rayos X para localizar los átomos dentro de él.
Jez y luego Lee tomaron el reto de cristalizar la proteina NolR. Lee decidió empezar por el principio eligiendo una secuencia de ADN unida a NolR, ordenando ese corte de ADN, y luego tratando de cristalizar la mezcla de la proteína y el ADN juntos.
Esto debería haber sido más difícil que la cristalización de la proteína sola , pero, para su sorpresa, resultó ser más fácil. Los datos de baja resolución que Lee obtuvo del complejo proteína-ADN hizo más fácil para los científicos interpretar los datos de alta resolución de la proteína sola.
La proteína resultó tener lo que se llama un motivo hélice-giro-hélice que se encuentra comúnmente en las proteínas que se unen al ADN. La doble hélice de ADN tiene un surco mayor y surco menor que corren por la doble hélice como las roscas de un tornillo. Muchas proteínas que se unen al ADN lo hacen a través del surco mayor más amplio.
El surco mayor es el que está abierto, y se puede ajustar una hélice de proteínas en ese surco. La naturaleza utiliza este dominio hélice-giro-hélice como una forma de posicionar las hélices en los surcos mayores. La proteína es un dímero, por lo que tiene dos hélices que están separadas perfectamente para ponerse una en cada uno de los dos surcos mayores consecutivos.
Para actuar como un interruptor maestro, la NolR tiene que ser capaz de reconocer y unirse a muchos genes diferentes. Es capaz de hacer eso porque cada uno de los genes lleva la misma secuencia de nucleótidos, llamada una secuencia de consenso, en algún lugar a lo largo de su longitud. En este caso, hay dos de tales secuencias en los surcos mayores consecutivos en todos los genes a los que NolR se une.
Los científicos están satisfechos con su progreso , pero sólo les ha hecho tener más ganas de cristalizar la otra proteína : el interruptor maestro de encendido, NodD.
