Al bando i fertilizzanti: l’alternativa bio-green è alle porte

Liberarsi dall’uso di fertilizzanti chimici: un nuovo motto si fa strada nel mondo dell’agricoltura. Fantascienza o realtà? Sicuramente per ora si tratta soprattutto di scienza, come spiegano i ricercatori coinvolti nello studio recentemente pubblicato sulla rivista scientifica mBio.

A detta di Himadri Pakrasi, direttore del Centro Internazionale di Energia ed Ambiente Sostenibile (InCEES), in un futuro non troppo lontano, le piantagioni ad uso agrario saranno in grado di fabbricare il loro proprio fertilizzante in maniera del tutto eco-sostenibile. Come ci riusciranno? Ancora una volta grazie all’intervento di una classe di batteri geneticamente ingegnerizzati per fornire alle piante una fonte di energia e nutrimento.

Himadri Pakrasi (a sinistra) e il suo team di ricercatori hanno creato una fabbrica batterica in grado di utilizzare la fotosintesi per produrre ossigeno durante il giorno e “fissare ” l’azoto per la sintesi della clorofilla durante la notte.

La sintesi chimica di fertilizzanti prevede un processo intensivo ad elevata spesa energetica ed un consistente rilascio nell’atmosfera di gas-serra, tra i maggiori responsabili del cambiamento climatico. Per di più, si tratta di un processo non del tutto redditizio ed efficace, dato che solo meno del 40% dell’azoto fornito dai fertilizzanti commerciali, viene realmente utilizzato dalle piante.

Alla scarsa efficacia, si aggiunge inoltre il grave danno causato all’ambiente e alla biodiversità dal drenaggio di questi composti chimici in fiumi, laghi e falde acquifere. Sorge quindi spontanea una domanda. Perché le piante hanno bisogno di azoto? E, soprattutto, perché non ricorrono all’elevata quantità presente nell’atmosfera?

Le piante utilizzano l’azoto sotto forma di azoto ammonico (NH3) come substrato per la sintesi di importanti biomolecole quali amminoacidi, proteine, vitamine e acidi nucleici, quindi di energia vitale. Tuttavia, l’azoto atmosferico (N2) non può essere assimilato dalle piante senza essere prima convertito nella sua forma ammonica NH3. A questo punto, diventa quindi fondamentale il ruolo di microrganismi azotofissatori, generalmente batteri, in grado di “fissare” l’azoto atmosferico e convertirlo in una forma fruibile da parte delle piante. Il tutto grazie ad un enzima di origine procariotica, la nitrogenasi.

Diverse specie batteriche, nel corso dell’evoluzione, si sono adattate ad ambienti sfavorevoli sviluppando un meccanismo simbiotico grazie al quale ricevere, a cambio di composti azotati per le piante, i componenti organici e i sali minerali necessari a soddisfare il loro fabbisogno energetico. La possibilità di introdurre un “macchinario biologico azoto-fissatore” nelle piantagioni sembrerebbe pertanto la nuova epopea della rivoluzione agricola.

Sull’onda di questa ricerca rivoluzionaria, il team di Himadri Pakrasi ha messo a punto una fabbrica batterica in grado non solo di “fissare” l’azoto atmosferico, ma di farlo sotto il comando di un orologio biologico. Il tutto sfruttando l’ereditarietà genetica di un affascinante microrganismo: Cyanobacteria.

Cyanothece, il cianobatterio utilizzato in questo studio, è in grado di fissare l’azoto rispettando un suo proprio ritmo circadiano. Produrre energia chimica durante il giorno tramite la fotosintesi e fissare azoto nella notte, dopo la rimozione dell’ossigeno prodotto durante la fotosintesi, attraverso la respirazione. Un processo che si rispecchia in un insieme di 35 sequenze geniche adiacenti attive durante la notte e silenti nelle ore diurne, il cluster di geni azoto-fissatori (nif).

Il primo passo dei ricercatori è stato quindi quello di identificare i 24 geni essenziali per l’attività nitrogenasica all’interno del cluster genico nif di Cyanothece.  Esperimenti di ingegneria genetica hanno confermato la capacità di trasferimento genico orizzontale dei geni nif previamente selezionati nel batterio-ospite Synechosystis, naturalmente privo di un’attività nitrogenasica.

I risultati hanno sorprendentemente dimostrato l’ereditarietà genetica dell’attività nitrogenasica. Un altro risultato rilevante della ricerca è stato quello di limitare la tossicità causata alla nitrogenasi dalla produzione di O2 durante la fotosintesi delle piante. Come? Attraverso il contemporaneo trasferimento in Synechocystis di sequenze geniche codificanti per idrogenasi, coinvolte nell’ assorbimento dell’ O2.

Un lavoro davvero interessante e promettente per il futuro delle tecniche agricole, ma soprattutto per la salvaguardia dell’ecosistema. I prossimi passi? Approfondire nel dettaglio il processo di “azoto-fissazione indipendente” ed esplorare la sua potenziale applicazione in vivo.

Come afferma Pakrasi: “Se questa ricerca sarà un successo, ci sarà una significativa rivoluzione nel campo dell’agricoltura”.

Serena Galiè

Fonti bibliografiche:

  • https://www.sciencedaily.com/releases/2018/07/180716145900.htm?utm_source=dlvr.it&utm_medium=linkedincompanies
  • Deng Liu, Michelle Liberton, Jingjie Yu, Himadri B. Pakrasi, Maitrayee Bhattacharyya-Pakrasi. Engineering Nitrogen Fixation Activity in an Oxygenic PhototrophmBio, 2018;

 

 

 

Laureata in Biotecnologie Mediche con curriculum internazionale in Management in Medical Biotechnology presso l’Università Alma Mater Studiorum di Bologna. Master in Biotechnology of Environment and Health presso l’Università di Oviedo, in Spagna. Attualmente studentessa di un PhD in Nutrizione e Metabolismo presso l’Università Rovira I Virgili, a Tarragona in Spagna.

Informazioni su Serena Galié 25 Articoli
Laureata in Biotecnologie Mediche con curriculum internazionale in Management in Medical Biotechnology presso l'Università Alma Mater Studiorum di Bologna. Master in Biotechnology of Environment and Health presso l'Università di Oviedo, in Spagna. Attualmente studentessa di un PhD in Nutrizione e Metabolismo presso l'Università Rovira I Virgili, a Tarragona in Spagna.

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