Un nuevo estudio proporciona un marco para impulsar el crecimiento de los cultivos mediante la incorporación de una estrategia adoptada a partir de una especie de algas verdes de rápido crecimiento.
por la Universidad de Princeton
Las algas, conocidas como Chlamydomonas reinhardtii, contienen un orgánulo llamado pirenoide que acelera la conversión de carbono, que las algas absorben del aire, en una forma que los organismos pueden usar para crecer. En un estudio publicado el 19 de mayo de 2022 en la revista Nature Plants , investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad de Northwestern utilizaron modelos moleculares para identificar las características del pirenoide que son más críticas para mejorar la fijación de carbono y luego trazaron un mapa de cómo se podría diseñar esta funcionalidad en Plantas de cultivo.
Esto no es solo un ejercicio académico. Para muchas personas hoy en día, la mayor parte de las calorías de los alimentos provienen de plantas de cultivo domesticadas hace miles de años. Desde entonces, los avances en el riego, la fertilización, la reproducción y la industrialización de la agricultura han ayudado a alimentar a la creciente población humana. Sin embargo, por ahora solo se pueden extraer ganancias incrementales de estas tecnologías. Mientras tanto , se pronostica que la inseguridad alimentaria , que ya se encuentra en niveles críticos para gran parte de la población mundial, empeorará debido al cambio climático.
La nueva tecnología podría revertir esta tendencia. Muchos científicos creen que el pirenoide de algas ofrece tal innovación. Si los científicos pueden diseñar una capacidad similar a la de los pirenoides para concentrar carbono en plantas como el trigo y el arroz, estas importantes fuentes de alimentos podrían experimentar un gran impulso en sus tasas de crecimiento.
«Este trabajo proporciona una guía clara para diseñar un mecanismo de concentración de carbono en las plantas, incluidos los cultivos principales», dijo Martin Jonikas, autor principal del estudio, profesor asociado de biología molecular en Princeton e investigador en el Instituto Médico Howard Hughes. .
Chlamydomonas reinhardtii logra la fijación de carbono debido a la acción de la enzima Rubisco, que cataliza la conversión de CO 2 en carbono orgánico.
Las plantas terrestres también usan Rubisco para lograr la fijación de carbono, pero en la mayoría de las plantas, Rubisco solo funciona a aproximadamente un tercio de su capacidad teórica porque no puede acceder a suficiente CO 2 para operar más rápido. Por lo tanto, se ha dedicado mucho esfuerzo al estudio de los mecanismos de concentración de carbono, en particular los que se encuentran en las cianobacterias y en Chlamydomonas, con la esperanza de proporcionar eventualmente esta función para las plantas de cultivo terrestres . Pero hay un problema:
«Si bien se conoce la estructura del pirenoide y muchos de sus componentes, las preguntas biofísicas clave sobre su mecanismo siguen sin respuesta, debido a la falta de análisis cuantitativo y sistemático», dijo el coautor principal Ned Wingreen, profesor de Princeton Howard A. Prior de Life Sciences y profesor de biología molecular y del Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa.
Para obtener información sobre cómo funciona el mecanismo de concentración de carbono del pirenoide de las algas, la estudiante graduada de Princeton, Chenyi Fei, colaboró con la estudiante universitaria Alexandra Wilson, Clase de 2020, para desarrollar un modelo computacional del pirenoide con la ayuda del coautor Niall Mangan, profesor asistente de ciencias de la ingeniería y matemáticas aplicadas en la Universidad Northwestern.
Trabajos anteriores han demostrado que el pirenoide de Chlamydomonas reinhardtii consiste en una matriz esférica de Rubisco atravesada por una vasculatura de proyecciones encerradas en una membrana llamadas túbulos pirenoides, y rodeada por una vaina hecha de almidón. Se cree que el CO 2 tomado del medio ambiente se convierte en bicarbonato y luego se transporta a los túbulos, donde luego ingresa al pirenoide. Una enzima presente en los túbulos vuelve a convertir el bicarbonato en CO 2 , que luego se difunde en la matriz de Rubisco. Pero, ¿está completa esta imagen?
«Nuestro modelo demuestra que esta imagen convencional del mecanismo de concentración de carbono pirenoide no puede funcionar porque el CO 2 se escaparía rápidamente del pirenoide antes de que Rubisco pudiera actuar sobre él», dijo Wingreen. «En cambio, la capa de almidón alrededor del pirenoide debe actuar como una barrera de difusión para atrapar el CO 2 en el pirenoide con Rubisco».
Además de identificar esta barrera de difusión, el modelo de los investigadores identificó otras proteínas y características estructurales necesarias para la concentración de CO2 . El modelo también identificó componentes no necesarios, lo que debería hacer que la ingeniería de la funcionalidad de los pirenoides en las plantas sea una tarea más sencilla. Este modelo simplificado del pirenoide, mostraron los investigadores, se comporta de manera similar al orgánulo real.
«El nuevo modelo desarrollado por Fei, Wilson y sus colegas cambia las reglas del juego», dijo Alistair McCormick, experto en Fisiología Molecular de Plantas y Biología Sintética de la Universidad de Edimburgo, quien ha trabajado con los científicos de Princeton pero no participó en esto. estudio.
«Uno de los hallazgos clave de este artículo, que diferencia el mecanismo de concentración de carbono de Chlamydomonas de los que se encuentran en las cianobacterias, es que puede no ser necesario introducir transportadores de bicarbonato activos», dijo McCormick. «Esto es importante porque el transporte de bicarbonato activo ha sido un desafío clave que obstaculiza el progreso en la ingeniería de mecanismos biofísicos de concentración de carbono».
Más información: Niall Mangan, El modelado del mecanismo de concentración de CO 2 basado en pirenoide proporciona información sobre sus principios operativos y una hoja de ruta para su ingeniería en cultivos, Nature Plants (2022). DOI: 10.1038/s41477-022-01153-7
