Los genes nif son genes que codifican enzimas implicadas en la fijación del nitrógeno atmosférico en una forma de nitrógeno disponible para los organismos vivos. La principal enzima codificada por los genes nif es el complejo nitrogenasa que se encarga de convertir el nitrógeno atmosférico (N 2 ) en otras formas de nitrógeno, como el amoníaco , que el organismo puede utilizar para diversos fines. Además de la enzima nitrogenasa, los genes nif también codifican una serie de proteínas reguladoras implicadas en la fijación de nitrógeno. Los genes nif se encuentran tanto en bacterias fijadoras de nitrógeno de vida libre como en bacterias simbióticas asociadas con varias plantas. La expresión de los genes nif se induce como respuesta a bajas concentraciones de nitrógeno y oxígeno fijos (las bajas concentraciones de oxígeno se mantienen activamente en el entorno de las raíces de las plantas hospedantes). Los primeros genes de Rhizobium para la fijación de nitrógeno (nif) y para la nodulación (nod) fueron clonados a principios de la década de 1980 por Gary Ruvkun y Sharon R. Long en el laboratorio de Frederick M. Ausubel . [1]
En la mayoría de las bacterias, la regulación de la transcripción de los genes nif la realiza la proteína NifA sensible al nitrógeno. Cuando no hay suficiente nitrógeno fijo disponible para el uso del organismo, NtrC desencadena la expresión de NifA, y NifA activa el resto de los genes nif . Si hay una cantidad suficiente de nitrógeno reducido u oxígeno, se activa otra proteína: NifL. NifL inhibe la actividad de NifA, lo que resulta en la inhibición de la formación de nitrogenasa. NifL está regulado por los productos de glnD y glnK . Los genes nif se pueden encontrar en los cromosomas bacterianos , pero en las bacterias simbióticas suelen encontrarse en plásmidos o islas de simbiosis con otros genes relacionados con la fijación de nitrógeno (como los genes nod ).
La expresión y regulación de los genes nif , si bien comparten características comunes en todos o la mayoría de los organismos fijadores de nitrógeno en la naturaleza, tienen caracteres y cualidades distintos que difieren de un diazótrofo a otro. Ejemplos de estructura y regulación del gen nif en diferentes diazótrofos incluyen:
Klebsiella pneumoniae : una bacteria anaeróbica fijadora de nitrógeno de vida libre. Contiene un total de 20 genes nif ubicados en el cromosoma en una región de 24 Kb. nifH , nifD y nifK codifican las subunidades de la nitrogenasa, mientras que nifE , nifN , nifU , nifS , nifV , nifW , nifX , nifB y nifQ codifican proteínas que implican el ensamblaje y la incorporación de átomos de hierro y molibdeno en las subunidades de la nitrogenasa. nifF y nifJ codifican proteínas relacionadas con la transferencia de electrones que tiene lugar en el proceso de reducción y nifA y nifL son proteínas reguladoras encargadas de regular la expresión del resto de genes nif . [2] [3]
Rhodospirillum rubrum : una bacteria fotosintética anaeróbica de vida libre que, además de los controles transcripcionales descritos anteriormente, regula la expresión de los genes nif también de forma metabólica mediante una ADP-ribosilación reversible de un residuo de arginina específico en el complejo de la nitrogenasa. La ribosilación tiene lugar cuando hay nitrógeno reducido y provoca una barrera en el flujo de transferencia de electrones y, por lo tanto, inactiva la actividad de la nitrogenasa. Las enzimas que catalizan la ribosilación se denominan DraG y DraT. [3] [4]
Rhodobacter capsulatus : un fotótrofo anaeróbico de vida libre que contiene unsistema regulador del gen transcripcional nif . R. capsulatus regulala expresión del gen nif a través de nifA de la misma manera descrita anteriormente, pero utiliza un activador de nifA diferente que inicia el NtrC. NtrC activa una expresión diferente de nifA y de los otros genes nif . [3] [4]
Rhizobium spp.—Bacterias fijadoras de nitrógeno simbióticas, gramnegativas, que generalmente forman una relación simbiótica con especies de leguminosas . En algunos rizobios, los genes nif están ubicados en plásmidos llamados "plásmidos sym" (sym = simbiosis) que contienen genes relacionados con la fijación de nitrógeno y el metabolismo, mientras que los cromosomas contienen la mayoría de los genes constitutivos de las bacterias. La regulación de los genes nif se produce a nivel transcripcional y depende de la colonización de la planta huésped. [3] [4]