Victoria Conde Ávila y María del Carmen Martínez Valenzuela

Resumen

Los microorganismos del suelo, especialmente las bacterias que habitan cerca y en las raíces vegetales (rizobacterias), han sorprendido en los últimos años debido al descubrimiento de las multifunciones que realizan en beneficio de las plantas y el ambiente, así como por su capacidad para producir diversos compuestos de interés agrícola, ambiental e industrial. Ya que habitan un entorno híper complejo, actualmente se investiga su diversidad en el suelo, los mecanismos biológicos básicos para la producción de metabolitos y las interacciones con otros organismos. Esto ha inspirado el desarrollo de aplicaciones y tecnologías limpias empleando tanto sus células como los compuestos y polímeros que producen. A la fecha, los desarrollos biotecnológicos más destacados prevén el uso de tecnologías orgánicas, disponibles gracias a los miles de años de desarrollo evolutivo, así como a la complejidad y velocidad de adaptación de estos organismos, por lo que son una herramienta prometedora para enfrentar los retos de la producción segura y sostenible de alimentos y productos.

Palabras clave: biotecnología, bacterias, suelo

Introducción

Cuando pensamos en tecnología puede ser inevitable referir nuestro pensamiento a dispositivos electrónicos, herramientas digitales, inteligencia artificial o edición genética. Sin embargo, tecnología (del griego τέχνη “téchnē” que significa arte, oficio o destreza), se refiere al proceso de usar o transformar algo ya existente y darle un nuevo uso o aplicación específica. Al respecto, la biotecnología, por ejemplo, hace uso de material biológico u organismos para mejorar o generar nuevos procesos o productos. De hecho, muchos de los avances y descubrimientos tecnológicos que hoy tenemos, tanto en la biotecnología como en otras áreas del conocimiento, tienen origen e inspiración en procesos orgánicos sumamente complejos que ha desarrollado la naturaleza y que son mucho más sorprendentes de lo que a simple vista alcanzamos a imaginar y comprender aún. Tras siglos de investigación y descubrimientos, recién nos acercamos a la evidencia y desentrañamiento de algunos de los misterios de la complejidad de los seres vivos, entre ellos los que habitan uno de los ecosistemas más diversos del planeta, el suelo.

Gracias al desarrollo de herramientas bioinformáticas como la secuenciación masiva, que permite evaluar la diversidad de los genes en una muestra; y al estudio profundo sobre las interacciones entre moléculas y organismos, existe evidencia de que el suelo es uno de los ecosistemas más diversos, complejos e importantes de la tierra. Se estima que el suelo alberga el 59% de la biodiversidad y provee el 95% de los alimentos del planeta (FAO 2019). Además, es esencial en la gestión de ciclos de vida, nutrientes, filtración del agua y el segundo en captación de CO2 después de los océanos (Moore et al., 2023), por lo que es un repositorio de material biológico indispensable para el sostenimiento de la alimentación y la vida en la tierra. Para ello, la gran diversidad de organismos en el suelo y su interacción con plantas juegan un papel esencial en el ambiente y en nuestra salud. Lamentablemente, esta diversidad se encuentra en peligro debido a prácticas agrícolas invasivas como la aplicación de fertilizantes y plaguicidas que aceleran la degradación y pérdida de los organismos del suelo. Especialmente, los microorganismos de la rizosfera (de las raíces y sus alrededores) se ven afectados debido a que están en continuo contacto con múltiples sustancias y alteraciones por manejo agrícola. Actualmente, más del 60% de los suelos del planeta presentan algún nivel de degradación, mientras el suelo agrícola suele tener 40% menos biodiversidad que uno conservado (Masciandaro et al., 2019). Esto es grave ya que no solo se afecta la fertilidad del suelo y disponibilidad de microelementos creando dependencia a fertilizantes cuya producción es en sí contamínate, sino que disminuye la capacidad de retener CO2 y de tener acceso a material biológico que nos permita descubrir o generar tecnologías sustentables.

No obstante, algunas rizobacterias han generado diversos mecanismos para asociarse con las plantas y tolerar ambientes hostiles que inciden en el mejoramiento de la calidad y nutrición de los suelos. Esto brinda una alternativa para remediar el daño y producir alimentos más ricos en nutrientes, sanos y libres de contaminantes. Al grupo de bacterias que realizan dichas funciones se les conoce como rizobacterias promotoras de crecimiento vegetal (RPCV). De tal modo, no solo ayudan a nutrir a las plantas, sino que se comunican y las protegen contra el ataque de plagas y patógenos empleando mecanismos muy sofisticados, específicos y superiores a lo que un producto químico podría lograr. Adicionalmente, las bacterias producen múltiples metabolitos y polímeros que son de interés industrial para su uso como biomateriales. A continuación, revelaremos algunos de los mecanismos en los que las rizobacterias participan para la generación de aplicaciones tecnológicas orgánicas.

Nutrición y crecimiento vegetal

De manera similar a lo que ocurre con los microrganismos benéficos en el intestino de los seres humanos (probióticos), que participan en la salud y ayudan a tomar los nutrientes de los alimentos, la microbiota rizosférica es indispensable para que las plantas puedan absorber nutrientes y tener un sistema de defensa eficiente. Típicamente se adicionan fertilizantes sintetizados químicamente cuya forma no es soluble, sino que una vez incorporados al suelo, los microrganismos presentes son los encargados de transformarlos en elementos que las plantas si puedan absorber. Por ello, fertilizar no es sinónimo de nutrición, sino que las verdaderas protagonistas de este trabajo son las bacterias y microorganismos rizosféricos. Para ello, las rizobacterias emplean diversos mecanismos dependiendo el género y especie (Conde-Avila 2020). Algunas rizobacterias tienen la capacidad de mejorar la disponibilidad de nutrientes indispensables como el nitrógeno (N2) al tomarlo directamente del aire y transformarlo en una forma soluble para las plantas como el amonio (NH4). Este proceso se conoce como fijación de N y puede ocurrir tanto de forma libre (sin dependencia a otro organismo) por bacterias del género Azotobacter, como en simbiosis estricta (dependencia con la planta) en el caso del género Rhizobium. La tecnología actual para producir fertilizantes nitrogenados químicos emplea el proceso Haber-Bosch que requiere una cantidad enorme de energía y presión además de producir toneladas de CO2 al ambiente, en contraste a la tecnología que emplean las rizobacterias que es eficiente, más barata y no contaminante. Otros mecanismos son los de solubilizar fosfato a fósforo soluble (P) y producir compuestos que atrapan químicamente (quelan) elementos como el hierro (Fe), conocidos como sideróforos. Además, como parte de sus interacciones benéficas, producen compuestos que estimulan la germinación, fructificación y el crecimiento de las raíces empleando sustancias denominadas fitohormonas como las auxinas y giberelinas. Finalmente, producen vitaminas (niacina, riboflavina y biotina), aminoácidos esenciales para las plantas (ácido aspártico, ácido glutámico, glicina, histidina, arginina, prolina, etc.) y enzimas antioxidantes (polifenol oxidasas y fenol oxidasas) que le ayudan a soportar condiciones estresantes por sequía o por el uso de herbicidas (Chennappa et al., 2019).

Protección contra patógenos

Como parte de los mecanismos de protección a la planta hospedadora, las rizobacterias pueden evitar la infección de parásitos por diversas vías, la más elemental es por simple competencia de espacio y nutrientes (nicho). Sin embargo, para mantenerse en ese ambiente también generan compuestos contra patógenos. Por ejemplo, producen hormonas llamadas citoquininas que inducen el crecimiento de las plantas y la resistencia a hongos. Otro mecanismo que han desarrollado algunas rizobacterias como ventaja adaptativa es producir y ser resistentes al cianuro de hidrógeno (HCN), este compuesto interfiere en procesos de oxidación (bloquea a las enzimas citocromo oxidadas) y es tóxico para organismos aerobios, con lo que al producirlo inhiben el crecimiento de hongos que frecuentemente parasitan a las plantas, por ejemplo, los Aspergillus y Fusarium (Hakim et al., 2021).

Descontaminación del suelo

Al ser habitantes nativos del suelo continuamente están expuestas a la adición de fertilizantes y plaguicidas que modifican las condiciones ideales para desarrollarse. Sin embargo, algunas RPCV han demostrado versatilidad, tolerancia y capacidad de degradar sustancias tóxicas como plaguicidas (Shahid M y Khan 2022), hidrocarburos (Devianto et al., 2020) o atrapar metales pesados (Hindersah et al., 2023). Esto es sumamente importante ya que ayudan a la eliminación de sustancias dañinas no solo en el suelo, sino que al estudiar a profundidad como lo hacen, los procesos y enzimas que resultan en estrategias tecnológicas que pueden aplicarse a otros ambientes como el tratamiento de aguas domésticas e industriales.

Atrapar CO2

El suelo es un sitio de almacenamiento de CO2 de forma natural gracias a que las plantas ayudan a internalizarlo a través de sus raíces, pero son los microorganismos los encargados de mantener interacciones, producir sustancias e incidir en el equilibrio electroquímico en el suelo para que este permanezca almacenado y no contaminando la atmósfera. Pese a que aún se desconoce muchas de las interacciones en el suelo, ya que estas cambian según el tiempo, el ambiente, lamicrobiota, las plantas, etc., se ha demostrado que tanto hongos como rizobacterias participan en el intercambio y fijación de carbono (C) del suelo a través de producir compuestos como la glomalina (glicoproteína) y polisacáridos (Gałązka et al. 2020). Estos funcionan como una especie de “pegamento biológico” que ayuda a mantener la materia orgánica y el CO2 en el suelo.

Producción de polímeros

Otra ventaja de la tecnología microbiana es que algunas rizobacterias pueden cultivarse en laboratorio para obtener metabolitos y productos de interés industrial. Se han estudiado para la obtención de las vitaminas y compuestos que mencionamos en el apartado de nutrición y crecimiento vegetal para ser empleados en la formulación de productos para la agricultura orgánica a gran escala sin el efecto contaminante de los productos de síntesis química. Además, algunas rizobacterias son eficientes en la producción de polímeros que pueden ser empleados como biomateriales para aplicaciones de salud, alimentación y agricultura. Por ejemplo, para la producción de bioplásticos a base de polihydroxibutirato o polisacáridos y aditivos no tóxicos como el alginato (Bolaños-Dircio et al., 2022).

En conclusión, debido a la participación de las rizobacterias en múltiples actividades, ahora sabemos que funcionan como “probióticos para las plantas” y mejoran el ambiente ofreciéndonos tecnologías limpias y eficientes en comparación a las que se emplean actualmente. Por ello, favorecer su conservación y uso, tanto en el suelo como a nivel industrial, es esencial para la transición de la producción tradicional contaminante a la de tecnología orgánica y generación de productos biodegradables.

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