Resucitan antiguas enzimas para mejorar la fotosíntesis en cultivos
Biólogos moleculares de Cornell han desarrollado una técnica computacional para predecir secuencias genéticas favorables que hacen de Rubisco, una enzima vegetal clave para la fotosíntesis.
La técnica, descrita en Science Advances, permitió a los científicos identificar antiguas enzimas candidatas prometedoras que podrían modificarse en cultivos modernos y, en última instancia, hacer que la fotosíntesis sea más eficiente y aumentar el rendimiento de los cultivos.
Su método se basó en la historia evolutiva, donde los investigadores predijeron los genes Rubisco de hace 20-30 millones de años, cuando los niveles de dióxido de carbono (CO2) de la Tierra eran más altos de lo que son hoy y las enzimas Rubisco en las plantas se adaptaron a esos niveles.
Al resucitar la antigua Rubisco, los primeros resultados muestran la promesa de desarrollar enzimas Rubisco más rápidas y eficientes para incorporar en los cultivos y ayudarlos a adaptarse a las condiciones futuras cálidas y secas, ya que las actividades humanas están aumentando las concentraciones de gas CO2 que atrapan el calor en la atmósfera de la Tierra.
El estudio describe las predicciones de 98 enzimas Rubisco en momentos clave en la historia evolutiva de las plantas de la familia Solanaceae, que incluyen tomate, pimiento, patata, berenjena y tabaco. Los investigadores utilizan el tabaco como modelo experimental para sus estudios de Rubisco.
"Pudimos identificar enzimas ancestrales predichas que tienen cualidades superiores en comparación con las enzimas actuales", dijo en un comunicado Maureen Hanson, profesora de Biología Molecular de Plantas, quien desarrolló la nueva técnica para identificar las antiguas enzimas Rubisco predichas.
Los científicos han sabido que pueden aumentar el rendimiento de los cultivos acelerando la fotosíntesis, donde las plantas convierten el CO2, el agua y la luz en oxígeno y azúcares que las plantas utilizan para obtener energía y construir nuevos tejidos.
Durante muchos años, los investigadores se han centrado en Rubisco, una enzima lenta que extrae (o fija) el carbono del CO2 para crear azúcares. Además de ser lento, Rubisco a veces también cataliza una reacción con el oxígeno del aire; al hacerlo, crea un subproducto tóxico, desperdicia energía y hace que la fotosíntesis sea ineficiente.
El laboratorio de Hanson había intentado previamente usar Rubisco de cianobacterias (algas verdeazuladas), que es más rápido pero también reacciona fácilmente con el oxígeno, lo que obligó a los investigadores a tratar de crear microcompartimentos para proteger la enzima del oxígeno, con resultados mixtos. Otros investigadores han tratado de diseñar una Rubisco más óptima haciendo cambios en los aminoácidos de la enzima, aunque se sabía poco sobre qué cambios conducirían a los resultados deseados.
En este estudio, el equipo reconstruyó una filogenia --un diagrama en forma de árbol que muestra la relación evolutiva entre grupos de organismos-- de Rubisco, utilizando plantas solanáceas.
"Al obtener una gran cantidad de secuencias [genéticas] de Rubisco en las plantas existentes, se podría construir un árbol filogenético para descubrir qué Rubisco probablemente existió hace 20 o 30 millones de años", dijo Hanson.
La ventaja de identificar posibles secuencias antiguas de Rubisco es que los niveles de dióxido de carbono eran posiblemente de 500 a 800 partes por millón (ppm) en la atmósfera hace 25 a 50 millones de años. Hoy en día, los niveles de CO2 que atrapan el calor están aumentando considerablemente debido a muchas actividades humanas, con mediciones actuales de alrededor de 420 ppm, después de permanecer relativamente constantes por debajo de 300 ppm durante cientos de milenios hasta la década de 1950.
Hanson y sus colegas luego usaron un sistema experimental desarrollado para el tabaco en el laboratorio y descrito en un artículo de Nature Plants de 2020, que emplea la bacteria E. coli para probar en un solo día la eficacia de diferentes versiones de Rubisco. Pruebas similares realizadas en plantas tardan meses en verificarse.
El equipo descubrió que las antiguas enzimas Rubisco predichas a partir de las plantas solanáceas de hoy en día mostraban una promesa real de ser más eficientes.
"Para el próximo paso, queremos reemplazar los genes de la enzima Rubisco existente en el tabaco con estas secuencias ancestrales utilizando la tecnología CRISPR [edición de genes], y luego medir cómo afecta la producción de biomasa", dijo Hanson. "Ciertamente esperamos que nuestros experimentos demuestren que al adaptar Rubisco a las condiciones actuales, tendremos plantas que darán mayores rendimientos".
Si su método tiene éxito, estas eficientes secuencias de Rubisco podrían transferirse a cultivos como los tomates, así como a otras familias de plantas, como la soja y el arroz.
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