Investigadores australianos han creado diminutos compartimentos para potenciar la fotosíntesis, lo que podría aumentar el rendimiento del trigo y el arroz al tiempo que reduce drásticamente el consumo de agua y nitrógeno.
Por Marcus Strom, Universidad de Sídney
Investigadores del grupo del profesor asociado Yu Heng Lau en la Universidad de Sydney y del grupo del profesor Spencer Whitney en la Universidad Nacional Australiana han dedicado cinco años a abordar un problema fundamental: ¿Cómo podemos lograr que las plantas fijen el carbono de manera más eficiente?
El equipo diseñó «oficinas» a nanoescala capaces de albergar una enzima llamada Rubisco en un espacio confinado, lo que permite a los científicos ajustar con precisión su compatibilidad para su uso futuro en cultivos, lo que debería permitirles producir alimentos con menos recursos. Su investigación se publica en Nature Communications .
La Rubisco es una enzima común en las plantas que es esencial para «fijar» el dióxido de carbono para la fotosíntesis, el proceso químico que utiliza la luz solar para producir alimento y energía para las plantas.
«A pesar de ser una de las enzimas más importantes de la Tierra, la Rubisco es sorprendentemente ineficiente», afirmó el Dr. Taylor Szyszka, investigador principal del Centro de Excelencia ARC en Biología Sintética y la Facultad de Química de la Universidad de Sídney.
«La Rubisco es muy lenta y puede reaccionar erróneamente con el oxígeno en lugar del CO₂ , lo que desencadena otro proceso que desperdicia energía y recursos. Este error es tan común que cultivos alimentarios importantes como el trigo, el arroz, la canola y las patatas han desarrollado una solución drástica: la producción masiva de Rubisco», afirmó.
En algunas hojas, hasta el 50 % de la proteína soluble son copias de esta única enzima, lo que representa un enorme gasto de energía y nitrógeno para la planta. «Es un importante obstáculo para la eficiencia del crecimiento de las plantas», afirmó Davin Wijaya, candidato a doctorado en la Universidad Nacional Australiana, quien codirigió el estudio.
Algunos organismos resolvieron este problema hace millones de años. Las algas y las cianobacterias albergan la Rubisco en compartimentos especializados y le suministran CO₂ concentrado . Son como pequeñas oficinas en casa que permiten que la enzima funcione de forma más rápida y eficiente, con todo lo que necesita a mano.
Durante años, los científicos han intentado incorporar estos sistemas naturales de concentración de CO₂ en los cultivos. Sin embargo, incluso los compartimentos más sencillos de cianobacterias que contienen Rubisco, llamados carboxisomas, presentan una estructura compleja. Requieren múltiples genes que funcionen en un equilibrio preciso y solo pueden albergar su Rubisco nativa.
El equipo de Lau y Whitney adoptó un enfoque diferente, utilizando encapsulinas. Se trata de sencillas cápsulas proteicas bacterianas que requieren un solo gen para su construcción. Es como si fueran piezas de Lego que encajan automáticamente, en lugar de tener que armar muebles complejos.
Para cargar la Rubisco en el interior, los investigadores añadieron una «etiqueta de dirección» corta de 14 aminoácidos a la enzima que, como un código postal, dirige a la enzima a su destino dentro del compartimento de ensamblaje.
El equipo probó tres variedades de Rubisco: una de origen vegetal y dos de origen bacteriano. Descubrieron que el momento de la reacción es crucial. Para las formas más complejas de la enzima, era necesario sintetizar primero la Rubisco y luego la cubierta proteica que la rodea.
«Rubisco no se ensambló correctamente al intentar hacer ambas cosas a la vez», dijo Wijaya.
El Dr. Szyszka dijo: «Otra gran ventaja de nuestro sistema es que es modular. Los carboxisomas solo pueden encapsular su propia Rubisco, mientras que nuestro sistema de encapsulina puede encapsular cualquier tipo.
“Lo más emocionante es que descubrimos que los poros de la cubierta de encapsulina permiten la entrada y salida del sustrato y los productos de Rubisco”, dijo.
Los investigadores recalcan que esto es solo una prueba de concepto. Necesitan añadir los componentes adicionales que proporcionarán a la Rubisco el entorno de alto rendimiento que requiere. En la ANU ya se están llevando a cabo experimentos iniciales con plantas. «Sabemos que podemos producir encapsulinas en bacterias o levaduras; producirlas en plantas es el siguiente paso lógico. Nuestros resultados preliminares son prometedores», afirmó Wijaya.
De tener éxito, los cultivos con esta tecnología avanzada de fijación de CO₂ podrían producir mayores rendimientos utilizando menos agua y fertilizante nitrogenado. Estas son ventajas cruciales, ya que el cambio climático y el crecimiento demográfico ejercen presión sobre los sistemas alimentarios mundiales.
Más información: Taylor N. Szyszka et al., Reprogramming encapsulins into modular carbon-fixing nanocompartments, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65307-9
