La fotosíntesis es el proceso subyacente a todo el crecimiento de las plantas. Los científicos tienen como objetivo impulsar la fotosíntesis para satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos mediante la ingeniería de su enzima clave Rubisco. Ahora, Los investigadores del Instituto Max Planck de Bioquímica han logrado producir la planta funcional Rubisco en una bacteria. Esto permite la ingeniería genética de la enzima. El estudio podría algún día conducir a mejores rendimientos de cultivos y variedades de plantas con una mayor eficiencia en el uso del agua o una mayor resistencia a la temperatura. Los resultados fueron publicados en Ciencias .

Se prevé que la población mundial supere los 9.000 millones en 2050. Con más bocas que alimentar, Existe una necesidad imperiosa de mejorar la producción de alimentos. Para satisfacer la demanda mundial de alimentos, los científicos tienen como objetivo aumentar la eficiencia de la fotosíntesis y, por lo tanto, la productividad de los cultivos.

Impulsar la fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso biológico fundamental que subyace al crecimiento de todas las plantas y sustenta la vida en la Tierra. Las plantas utilizan la energía de la luz solar para convertir el dióxido de carbono (CO2) y el agua en azúcar y oxígeno (O2). La enzima crítica en este proceso es Rubisco. Rubisco cataliza el primer paso en la producción de carbohidratos en las plantas, la fijación de CO2 de la atmósfera. Al hacerlo, las plantas utilizan CO2 para generar biomasa y producir la energía necesaria para el crecimiento. Sin embargo, Rubisco es una enzima ineficiente ya que captura CO2 lentamente. Las reacciones competitivas con O2 perjudican aún más la eficiencia catalítica de Rubisco. Por estas razones, Rubisco a menudo limita la tasa de fotosíntesis y, en última instancia, el crecimiento de las plantas, haciendo de Rubisco un objetivo candente para la ingeniería genética.

Ingeniería de planta Rubisco, y fotosíntesis, se vería potenciada por la expresión funcional de la enzima en huéspedes alternativos. Hasta aquí, sin embargo, Los científicos no lograron producir una forma enzimáticamente activa de la planta Rubisco en un huésped bacteriano, un objetivo que se ha buscado durante muchas décadas. Un equipo dirigido por Manajit Hayer-Hartl, jefe del grupo de investigación "Plegamiento de proteínas asistido por chaperonina", Ahora ha identificado los requisitos para expresar y ensamblar la planta Rubisco en una bacteria. Se espera que sus hallazgos aceleren en gran medida los esfuerzos para mejorar la fotosíntesis a través de la ingeniería Rubisco.

La línea de montaje de Rubisco

La enzima Rubisco consta de ocho subunidades grandes y ocho pequeñas. El plegamiento de proteínas de las subunidades grandes es asistido por chaperoninas específicas, jaulas plegables macromoleculares, en el que las proteínas recién sintetizadas pueden asumir su conformación funcional adecuada. Después de doblar, múltiples proteínas auxiliares adicionales (chaperonas) ayudan en el ensamblaje adecuado de las subunidades en el gran complejo enzimático.

Los investigadores generaron la planta funcional Rubisco en un huésped bacteriano expresando simultáneamente chaperonas vegetales y Rubisco en las mismas células. Esto no solo permite a los científicos comprender la compleja ruta de ensamblaje de Rubisco, sino modificar el gen de Rubisco para mejorar las propiedades de Rubisco. Una vez que hayan obtenido una variante de Rubisco con un rasgo deseado, pueden volver a insertar el gen modificado en las células vegetales. Este es un paso clave para mejorar la fotosíntesis a través de la ingeniería Rubisco. "El sistema de expresión bacteriana se asemeja a una línea de ensamblaje para automóviles. Mientras que anteriormente cada variante optimizada de Rubisco tenía que expresarse minuciosamente en una planta transgénica, que tarda un año o más en generarse, como construir un automóvil a mano, ahora podemos hacer cientos o miles de variantes de Rubisco en días o semanas. Es como construir coches en una línea de montaje automatizada ", explica Hayer-Hartl.

Variantes superiores de Rubisco

La ingeniería genética facilita los esfuerzos para generar variantes de Rubisco con propiedades funcionales mejoradas. Esto podría no solo conducir al aumento tan necesario en el rendimiento de los cultivos, pero también variedades de plantas con mayor eficiencia en el uso del agua o mayor resistencia a la temperatura, propiedades que son de especial importancia a la luz del calentamiento global y la creciente escasez de agua.