Approcci biotecnologici per l'espressione di nitrogenasi funzionanti nelle piante

Soil nitrogen availability is crucial for plant crops and their yields and it is mostly obtained from fertilizers. Industrial production of nitrogen fertilizer is based on the Haber-Bosch process and carries a remarkable economic and environmental cost. An inopportune and excessive use of these fertilizer is the reason behind many environmental problems like pollution of the air, soil and water. These factors, together with the high energies requests, led many scientists to search new approaches to supply nitrogen to plants. Legumes are the only crop plants that do not require nitrogen fertilization, due to their ability to form a symbiosis with bacteria that possess nitrogenase, an enzyme that coverts atmospheric nitrogen to ammonia. Biotechnological approaches may permit nitrogenase expression into the plant's cell and so the problem of the nitrogen availability will end. Nitrogenase is the only-bacteria enzyme able to reduce atmospheric nitrogen to ammonia in a highly endergonic process and very oxygen sensitive process. Genes of the Nif regulon may be split into three functional modules depending on their function: structural, ETC, cluster biosynthesis. In these pages, I have analysed three scientific papers where the modules are studied and where new solutions for engineering nitrogenase are evaluated. Finally, I propose a novel approach to engineer the enzyme in C4 plants, particularly in maize.

La disponibilità di azoto nei suoli è di vitale importanza per le piante coltivate e per la loro resa e la maggior parte deriva dall'utilizzo di fertilizzanti. La produzione industriale di fertilizzanti a base d'azoto è basata sul processo Haber Bosch e richiede un notevole costo economico ed ambientale. Un inopportuno ed eccessivo utilizzo di fertilizzanti è alla base di molti problemi ambientali tra cui inquinamento dell'atmosfera, dei suoli e delle acque. Questi fattori, accanto alle alte richieste energetiche, hanno portato molti scienziati a cercare nuovi approcci biotecnologici per poter rifornire di azoto gli organismi vegetali. Tra le piante coltivate, solo le leguminose sono in grado di utilizzare l'ampiamente disponibile azoto atmosferico grazie alla capacità di formare simbiosi con batteri che possiedono la nitrogenasi, enzima in grado di trasformare l'azoto molecolare in ammonio. Approcci biotecnologici potrebbero consentire l'espressione della nitrogenasi all'interno delle cellule delle piante non leguminose,eliminando così la necessità della fertilizzazione azotata. La nitrogenasi è l'unico enzima finora conosciuto in grado di ridurre l'azoto atmosferico ad ammoniaca in un processo altamente endoergonico e che deve svolgersi in assoluta anaerobiosi. I geni facenti parte del regulone Nif possono essere suddivisi in tre moduli funzionali: strutturali, ETC, biosintesi dei cluster. In questa tesi vengono analizzati tre articoli scientifici in cui si analizzano questi moduli e si cerca di trovare soluzioni adeguate per trasferire i geni codificanti la nitrogenasi all'interno delle piante. Infine viene proposto un approccio per ingegnerizzare la nitrogenasi nelle piante C4, in particolare nel mais.