Verónica PavésUn grupo de investigadores ha descubierto la forma de optimizar el proceso de la fotosíntesis, de modo que los cultivos podrían crecer más rápidamente y ayudar así a combatir el hambre en el mundo. Para conseguirlo, se ha tenido que alterar la estructura interna de la célula vegetal, para lograr que las plantas se desarrollen mejor.
En poco menos de 30 años, el planeta en su conjunto tendrá el reto de alimentar a las 9.000 millones de personas que los estudios demográficos estiman que poblarán el mundo para 2050. Y la primera pregunta que cualquiera se plantearía es cómo se podrá conseguir alimentar a tantas personas sin caer en la desigualdad que hoy en día provoca que casi el 9% de la población mundial padezca hambre.
Para conseguirlo, los agricultores deben cultivar al menos un 50% más de alimentos en una extensión de tierra cultivable limitada, lo que supone todo un reto para los botánicos y otros científicos especialidades en crecimiento vegetal, que se encuentran en una verdadera carrera a contratiempo para diseñar cultivos que obtengan un mejor rendimiento, gracias a la mejora de la fotosíntesis.
Uno de los primeros métodos que están investigando los científicos consiste en valerse de las propiedades de las algas verdiazules, también conocidas como cianobacterias. Estos especímenes son capaces de realizar la fotosíntesis de manera más eficiente que la mayoría de los cultivos, por lo que podría mejorar de manera notable su crecimiento.
Hasta el momento, todo se ha basado en una teoría, pero un nuevo estudio de la Universidad de Cornell (Estados Unidos) ha logrado dar un paso significativo hacia este logro, que hasta ahora siempre se había topado con el escollo de la propia fotosíntesis.
Y es que cuando las plantas realizan la fotosíntesis, convierten el dióxido de carbono, el agua y la luz captada en oxígeno y sacarosa, un azúcar que la planta utiliza para producir energía y para construir nuevos tejidos.
En este proceso, la enzima conocida como rubisco adquiere gran relevancia. Este componente es el causante de que la planta pueda “fijar” el carbono inorgánico para convertirlo en una forma orgánica que la planta utiliza para construir esos nuevos tejidos.
El rubisco es un arma de doble filo. Esta enzima no solo reacciona al dióxido de carbono, sino también al oxígeno, creando subproductos tóxicos, que reducen el rendimiento de esta tarea de supervivencia vegetal. En las cianobacterias, por el contrario, el rubisco está contenido dentro de unos microcompartimentos llamados carboxisomas que lo protegen del oxígeno y evitan que pueda reaccionar a él.
Si esa estructura protectora se instalara en los cultivos, crecerían mucho más rápido, porque el carboxisoma también permite que las cianobacterias concentren el dióxido de carbono más rápidamente.
«Las plantas de cultivo no cuentan con carboxisomas, por lo que la idea es instalar todo el mecanismo de concentración de carbono de las cianobacterias en ellas», asegura Maureen Hanson, profesora de biología molecular vegetal, y autora principal del artículo.
Edición genética en las plantas
Pero diseñar este sistema de modo que funcione en los cultivos no es tan fácil. Para conseguirlo los científicos deben eliminar de los cloroplastos (la parte de la célula en la que ocurre la fotosíntesis) la anhidrasa carbónica. La anhidrasa se encarga de crear un equilibrio entre el dióxido de carbono y el bicarbonato en las células vegetales mediante diversas reacciones químicas.
Pero para que el mecanismo de concentración de carbono de las cianobacterias funcione en los cultivos, el bicarbonato en el sistema debe alcanzar niveles muchas veces más altos que los que confiere dicho el equilibrio. «Así que en este estudio llevamos a cabo ese paso [de eliminar la anhidrasa], tan necesario para que los carboxisomas se acoplen correctamente y funcionen», indicó la investigadora.
Para hacerlo, los científicos han utilizado las tijeras genéticas. La tecnología de edición de genes CRISPR/Cas9 les ha servido para desactivar los genes que expresan las dos enzimas de anhidrasa carbónica presentes en los cloroplastos. El equipo de Hanson desactivó al 100% estas enzimas, algo que nunca se había logrado.
De hecho, un estudio previo había eliminado su actividad al 99% y las plantas crecieron normalmente. Pero no ocurrió lo mismo con las plantas de Hanson que, tras retirarles la totalidad de la enzima, apenas crecieron. «Las plantas necesitan esta enzima para producir bicarbonato, porque es lo que usan para producir sus hojas», aseguró Hanson.
Sin embargo, esta circunstancia se revirtió cuando colocaron las plantas en una cámara de crecimiento con alto contenido de dióxido de carbono. La gran cantidad de CO2 les permitió reanudar su crecimiento normal porque les empujaba a crear bicarbonato de manera espontánea.
Esa podría ser la solución definitiva para poder deshacerse totalmente de la anhidrasa y no perder el bicarbonato tan esencial para el crecimiento. En un próximo estudio, financiado con alrededor de 800.000 dólares para los próximos tres años, el mismo equipo planea colocar un transportador de bicarbonato en la membrana del cloroplasto, para llevar esa sustancia desde otras partes de las células hasta el cloroplasto.
De esta manera, además de hacer innecesaria la anhidrasa, se espera que el bicarbonato adicional mejore la fotosíntesis incluso antes de que los carboxisomas puedan acoplarse a los cloroplastos.
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Artículo de referencia: https://www.pnas.org/content/118/33/e2107425118
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