Mira cómo se viene el futuro del mejoramiento genético de cultivos

La fotosíntesis es el proceso subyacente al crecimiento de todas las plantas. Los científicos pretenden impulsar la fotosíntesis para satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos mediante la modificación de su enzima clave conocida como Rubisco. Ahora, los investigadores del Instituto Max Planck de Bioquímica han tenido éxito en la producción de la enzima vegetal Rubisco en una bacteria. Esto permite la modificación genética de la enzima. El estudio podría conducir a mejores rendimientos de cultivos y variedades de plantas con mayores eficiencias en el uso del agua o mayor tolerancia a altas temperaturas. Los resultados fueron publicados en Science.

Se predice que la población mundial superará los 9.6 mil millones en 2050. Con más bocas que alimentar, existe una necesidad apremiante de mejorar la producción de alimentos. Para satisfacer la demanda mundial de alimentos, los científicos apuntan a 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 en el crecimiento de todas las plantas y es compatible con la vida en la Tierra. Las plantas usan 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 la Rubisco. Esta enzima cataliza el primer paso en la producción de carbohidratos en las plantas, que es la fijación del CO2 de la atmósfera. Al hacerlo, las plantas utilizan CO2 para construir biomasa y producir la energía requerida para el crecimiento. Sin embargo, la Rubisco es una enzima ineficiente ya que captura CO2 lentamente. Las reacciones competitivas con el 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, lo que convierte a Rubisco en un blanco candente para la ingeniería genética.

La modificación genética de la enzima vegetal Rubisco, y la fotosíntesis, se verían potenciadas por la expresión funcional de la enzima en hospedadores alternativos. Hasta ahora, sin embargo, los científicos no lograron producir una forma enzimáticamente activa de 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 proteico asistido por Chaperoninas”, ha identificado los requisitos para expresar y ensamblar la enzima vegetal Rubisco en una bacteria. Se espera que sus hallazgos aceleren en gran medida los esfuerzos para mejorar la fotosíntesis a través de la modificación genética de Rubisco.

La cadena de montaje de Rubisco

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

Los investigadores generaron la enzima vegetal Rubisco en un huésped bacteriano al expresar 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 también modificar el gen de la Rubisco para mejorar sus propiedades. Una vez que han obtenido una variante de Rubisco con un rasgo deseado, pueden insertar el gen modificado de nuevo en las células de la planta. Este es un paso clave para mejorar la fotosíntesis a través de la ingeniería genética de la Rubisco. “El sistema de expresión bacteriana se asemeja a una línea de montaje para automóviles. Mientras que cada variante optimizada de Rubisco debía expresarse cuidadosamente en una planta transgénica, que tarda un año o más en generar, como construir un automóvil a mano, ahora podemos hacer cientos o miles de variantes de Rubisco en días o semanas. Es como construir autos en una línea de ensamblaje automatizada “, explica Hayer-Hartl.

El plegado y ensamblaje de las subunidades de Rubisco es asistido por el sistema de chaperoninas y varios factores específicos. Juntos, estos factores forman la línea de ensamblaje que conduce a la formación de la enzima funcional. Rubisco cataliza el paso clave de la fijación de CO2 en la fotosíntesis. El proceso de fotosíntesis convierte la luz solar en energía química, divide el agua para liberar O2 y fija el CO2 en azúcares. Crédito: Metz/MPI de Bioquímica

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 muy necesario aumento en el rendimiento de los cultivos, sino también a variedades de plantas con mayores eficiencias 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.