La fotosíntesis es el proceso natural que utilizan las plantas y las algas para capturar la luz solar y fijar el dióxido de carbono en azúcares ricos en energía que impulsan el crecimiento. desarrollo, y en el caso de los cultivos, producir. Las algas desarrollaron mecanismos especializados de concentración de dióxido de carbono (CCM) para realizar la fotosíntesis de manera mucho más eficiente que las plantas. Esta semana, en el diario procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , un equipo de la Universidad Estatal de Luisiana (LSU) y la Universidad de York informan sobre un paso inexplicable desde hace mucho tiempo en el CCM de las algas verdes, que es clave para desarrollar un CCM funcional en cultivos alimentarios para aumentar la productividad.

"La mayoría de los cultivos están plagados de fotorrespiración, que ocurre cuando Rubisco, la enzima que impulsa la fotosíntesis, no puede diferenciar entre el dióxido de carbono que sustenta la vida y las moléculas de oxígeno que desperdician grandes cantidades de energía de la planta, "dijo James Moroney, Streva Alumni Professor en LSU y miembro de Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE). "Por último, Nuestro objetivo es diseñar un CCM en cultivos para rodear Rubisco con más dióxido de carbono, haciéndolo más eficiente y menos propenso a atrapar moléculas de oxígeno, un problema que se ha demostrado que empeora a medida que aumentan las temperaturas ".

Dirigido por la Universidad de Illinois, RIPE es un proyecto de investigación internacional que está diseñando cultivos para que sean más productivos mediante la mejora de la fotosíntesis con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación de los Estados Unidos para la Investigación de la Agricultura y la Alimentación (FFAR), y el Departamento de Desarrollo Internacional del Gobierno del Reino Unido (DFID).

Mientras que el dióxido de carbono se difunde a través de las membranas celulares con relativa facilidad, bicarbonato (HCO3-) se difunde alrededor de 50, 000 veces más lento debido a su carga negativa. Las algas verdes Chlamydomonas reinhardtii , apodado clamí, transporta bicarbonato a través de tres membranas celulares hacia el compartimento que alberga Rubisco, llamado pirenoide, donde el bicarbonato se convierte nuevamente en dióxido de carbono y se fija en azúcar.

"Antes de ahora, no entendimos cómo el bicarbonato cruzó el tercer umbral para ingresar al pirenoide, "dijo Ananya Mukherjee, quien dirigió este trabajo como estudiante de posgrado en LSU antes de unirse a la Universidad de Nebraska-Lincoln como investigador postdoctoral. "Durante años, intentamos encontrar el componente que faltaba, pero resulta que hay tres proteínas de transporte involucradas en este paso, que eran el eslabón perdido en nuestra comprensión del CCM de Chlamydomonas reinhardtii . "

"Si bien se conocen otras proteínas de transporte, Especulamos que estos podrían compartirse con los cultivos más fácilmente porque la clamidia está más relacionada con las plantas que con otras algas fotosintéticas. como cianobacterias o diatomeas, "dijo Luke Mackinder, un conferencista en York que colaboró ​​con el equipo de RIPE en este trabajo con el apoyo del Consejo de Investigación en Biotecnología y Ciencias Biológicas (BBSRC) y el Leverhulme Trust.

Crear un CCM funcional en cultivos requerirá tres cosas:un compartimento para almacenar Rubisco, transportadores para llevar bicarbonato al compartimento, y anhidrasa carbónica para convertir el bicarbonato en dióxido de carbono.

En un estudio de 2018, Los colegas de RIPE en la Universidad Nacional de Australia demostraron que podían agregar un compartimento llamado carboxysome, que es similar a un pirenoide, en cultivos. Ahora, este estudio completa la lista de posibles proteínas de transporte que podrían transportar bicarbonato desde el exterior de la célula a esta estructura carboxisoma en las células de las hojas de los cultivos.

"Nuestra investigación sugiere que la creación de un CCM funcional en los cultivos podría ayudar a los cultivos a conservar más agua y podría reducir significativamente el proceso de fotorrespiración en los cultivos que exige energía, que empeora a medida que aumentan las temperaturas, Moroney dijo:"El desarrollo de cultivos resistentes al clima que puedan realizar la fotosíntesis de manera más eficiente será vital para proteger nuestra seguridad alimentaria".

Lograr una mayor eficiencia fotosintética (RIPE) es diseñar cultivos de alimentos básicos para convertir de manera más eficiente la energía del sol en alimentos para aumentar de manera sostenible la producción mundial de alimentos. con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación de Estados Unidos para la Investigación Agrícola y Alimentaria, y el Departamento de Desarrollo Internacional del Gobierno del Reino Unido.