Por nuestro ambiente: investigación contra gases del efecto invernadero

Investigadores del CONICET y de la UNL estudiaron una enzima y lograron información clave para desarrollar biosensores para monitorear nitritos generados en el ambiente por nitratos que se usan como fertilizantes en agricultura intensiva.

La tecnología se aplicaría en enzimas que provienen de bacterias utilizadas en el desarrollo de bioinoculantes, de uso creciente en la agricultura, que recurre al nitrato como fertilizante y las bacterias del suelo -capaces de metabolizarlo-, remueven el exceso de este compuesto convirtiéndolo en N2. Se da así un proceso de desnitrificación con múltiples pasos enzimáticos, que genera óxido nítrico (NO) y el potente gas “efecto invernadero” óxido nitroso (N2O), con una capacidad de daño sobre la capa de ozono 300 veces mayor a la producida por el dióxido de carbono (CO2).

La investigación es fruto de un equipo integrado por los científicos del CONICET Felix Ferroni y Carlos Brondino -ambos en el Departamento de Física de la Facultad de Bioquímica y Ciencias Biológicas de la UNL-, y por los investigadores Samuel Rose, Robert Eady y Svetlana  Antonyuk, quienes trabajan bajo la dirección del profesor Samar Hasnain, de la Universidad Liverpool (Reino Unido); pionero en el desarrollo de técnicas cristalográficas y, con la colaboración del staff de la línea I24 del sincrotrón de Diamond Sam Horrell, Sofia Jaho, Michael Hough y Robin Owen.

Felix Ferroni informa que trabajan con el objetivo de desarrollar biosensores capaces de detectar el nitrito y afirma que “este paso es catalizado por la enzima nitrito reductasa, lo cual es estudiado en el laboratorio -junto a otras provenientes de bacterias del suelo y microorganismos extremófilos- (refiriendo a aquellos capaces de desarrollarse en condiciones extremas, por ejemplo crecer a 65°C.).

Explayandosé sobre el ciclo catalítico, Ferroni afirma que consiste en “la descripción de cómo funciona la enzima -como un reactor capaz de transformar un compuesto (substrato) en otro (producto). Para ello hay partes funcionales que son esenciales y que se deben regenerar ciclo a ciclo para que la enzima trabaje de manera continua. Con estas técnicas detectamos cuáles son esas partes funcionales y como cambian durante el ciclo en que la enzima toma el sustrato y lo convierte en producto”.

Historiando el trabajo, Ferroni explica que “a partir del descubrimiento de dos enzimas, una proveniente de Thermus scotoductus SA-01 y otra de Bradyrhizobium japonicum USDA 110, el profesor Samar Hasnain –experto internacional en la materia-, ofreció colaboración en el área de la biología estructural para ahondar en la caracterización de nuestros sistemas. Gracias a una ciencia con enfoque global y colaborativo, se abrió la posibilidad de desarrollar este proyecto conjunto que culminó con la publicación en Journal of Molecular Biology”.

Durante el desarrollo se pudo develar, a nivel estructural (atómico), el proceso catalítico de la enzima, logrando capturar -desde el ingreso del sustrato (nitrito)-, la convesión en el producto (NO) y la regeneración del sitio activo. El proyecto incluyó experimentos en los centros del Reino Unido -el Barkla X-ray Laboratoty of Biophysics de Liverpool y en Diamond Synclight Source de  Oxforshire-, en cuyos laboratorios se combinaron estudios espectroscópicos con la difracción de rayos X de los cristales de estas enzimas a través de la técnica MSOX (Multiple Structures from One Single Crystal). El relevante trabajo, según Ferroni, “permitió inferir a qué se debía la baja actividad de esta enzima respecto a otras de su tipo y, a la vez, evidenciar que la técnica MSOX, sumada a la espectroscopía óptica on-line sobre cristales de metaloenzimas, facilita el seguimiento de los procesos y la visualización del proceso en tiempo real”.

La cooperación comenzó en 2022 con el envío de muestras de la proteína purificada (en el Departamento de Física de la FBCB-UNL), y continuó con el trabajo en la Universidad de Liverpool y en el acelerador de partículas de Diamond, instituciones que sumaron su apoyo al financiamiento argentino otorgado por la Agencia Nacional de Promoción de la Ciencia y la Tecnología.

El desarrollo de la técnica alcanzada abre el camino a análisis de sistemas similares, lo que supone el desarrollo y puesta a punto de las instalaciones. Desde el punto de vista de la enzima, permitiría detectar factores estructurales útiles para mejorar su desempeño y funcionalizarla de manera de poder interactuar con ciertos materiales para lograr biosensores de nitrito. Ferroni agrega, para ejemplificar, que se desarrollaría una cinta -como las utilizadas para medir glucosa-, capaz de inmobilizar la enzima sobre esa superficie activa, para poder detectar el nitrito en muestras líquidas.

En base a lo logrado, ahora el equipo científico está trabajando en usar otra fuente de luz sincrotrón para obtener estructuras libres de daño por radiación (mayor calidad y más detalle fino); trabajo que se está desarrollando con un grupo de Japón que tiene estrecha colaboración con el Profesor Samar Hasnain, con quienes incluso ya se está escribiendo una nueva publicación internacional.

El artículo se titula “Spectroscopically validated pH-dependent MSOX movies provide detailed mechanism of copper nitrite reductases” https://doi.org/10.1016/j.jmb.2024.168706. (https://doi.org/10.1016/j.jmb.2024.168706)