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¿Pueden los científicos piratear la fotosíntesis para alimentar al mundo a medida que aumenta la población?


Se pronostica que la población mundial, que se situó en 2.500 millones en 1950, aumentará a 10.500 millones en 2050. Es un número sorprendente, ya que significa que la población del planeta se ha duplicado en la vida de muchas personas que viven hoy.


por la Universidad de Washington en St. Louis


Al mismo tiempo, la tierra cultivable se está reduciendo y la productividad de los cultivos se está estancando.

La última vez que la población superó la productividad agrícola, fuimos rescatados por la Revolución Verde, un aumento en el índice de cosecha (la cantidad de biomasa de la planta dividida en grano) lograda a través del fitomejoramiento clásico. Las mazorcas de maíz de hoy son enormes en comparación con las cosechadas en la década de 1920.

Pero el índice de cosecha solo se puede impulsar hasta cierto punto; una planta no puede ser 100 por ciento de grano. Y a medida que el índice de cosecha se acerca a su límite teórico, las ganancias en la productividad de los cultivos se han estancado.

¿Hay otra planta de conejo que los científicos puedan sacar del sombrero? Una posibilidad es rediseñar la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas convierten la luz solar y el dióxido de carbono en azúcar y la última fuente de todos los alimentos, a menos que sea una bacteria quimiosintética.

La fotosíntesis, según los científicos, es increíblemente ineficiente. «Esperamos que las células solares que colocamos en nuestros tejados sean al menos 15 o 20 por ciento eficientes», dijo Robert Blankenship, PhD, Profesor Distinguido de Artes y Ciencias Lucille P. Markey en la Universidad de Washington en St. Louis. «Una planta es, en el mejor de los casos, eficiente al uno por ciento».

La fotosíntesis es el único determinante del rendimiento de los cultivos que no está cerca de sus límites biológicos, dijo. Es el único parámetro de producción de la planta que no se ha optimizado.

«Una planta probablemente nunca alcanzará la eficiencia de las células solares, pero las células solares no te harán almorzar», dijo Blankenship. «Si podemos duplicar o triplicar la eficiencia de la fotosíntesis, y creo que es factible, el impacto en la productividad agrícola podría ser enorme».

Pero, ¿cómo podría hacerse esto? En mayo de 2013, Donald Ort y Sabeeha Merchant organizaron un taller en el Laboratorio Cold Spring Harbor donde un grupo de los mejores científicos de plantas del mundo se deshizo de la precaución científica y trató de imaginar qué harían si pudieran rediseñar las plantas a voluntad. Blankenship participó en el taller y acordó resumir algunas de las ideas que surgieron del taller, que se describen con más detalle en un artículo publicado en la edición del 14 de julio de Proceedings of the National Academy of Sciences .

Capas del dosel

Una idea inteligente era diseñar un dosel inteligente , un dosel en capas de plantas que interactuarían cooperativamente para maximizar la eficiencia fotosintética. El dosel podría explotar varios trucos para sacar la máxima productividad de la luz mientras se filtra a través de las hojas hacia el suelo.

Irónicamente, dado que las plantas usan solo una fracción de la luz solar disponible, tienen más luz de la que pueden manejar durante gran parte del día. Durante la madrugada y la tarde tienen la cantidad adecuada de luz, pero durante el mediodía tienen más luz de la que pueden procesar y tienen que tirar este exceso de energía.

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En un dosel optimizado (derecha), las hojas en la parte superior, que reciben demasiada luz, pueden inclinarse verticalmente y tener antenas más pequeñas y menos recolectoras de luz (conos verdes) que alimentan muchos centros de reacción. Aquellos más bajos en el dosel tendrían antenas más grandes alimentando menos centros de reacción. Las hojas en la parte superior tendrían una variante de RuBisCO, una enzima importante en la fotosíntesis, que tenía una alta actividad catalítica pero no era particularmente buena para distinguir el carbono del oxígeno, mientras que las de la parte inferior podrían tener variantes de RuBisCO que eran más lentas pero menos inclinadas a recoger oxígeno en lugar de carbono. Crédito: Zhu et al.

Una forma de minimizar la saturación de luz de las hojas superiores y el hambre leve de las hojas inferiores es variar el ángulo de las hojas en el dosel. Las hojas con mucha luz pueden ser casi verticales, mientras que las de abajo pueden ser horizontales.

La luz es absorbida en cada hoja por los pigmentos de «antena», típicamente clorofila y los carotenoides. Estas antenas canalizan la energía a los centros de reacción donde tiene lugar la química. Una planta puede tener hasta varios cientos de moléculas de pigmento por centro de reacción.

Si las plantas tuvieran complejos de antenas dimensionadas para la intensidad de la luz a su nivel del dosel, podrían absorber la luz de manera más juiciosa. Las hojas superiores que reciben mucha luz tendrían menos complejos de antenas alimentando más centros de reacción y serían de color verde pálido. Al descender a través del dosel, las hojas tendrían antenas más grandes que alimentan menos centros de reacción y sombra a un verde más oscuro.

Pero no es solo la intensidad de la luz lo que cambia con la profundidad en el dosel; También es el espectro solar. Las plantas solo usan una región muy estrecha del espectro solar, dijo Blankenship. «Básicamente, la planta ve la misma luz que vemos con nuestros ojos. Cualquier cosa a ambos lados se desperdicia por completo, ni siquiera se absorbe, por lo que ni siquiera tiene la oportunidad de hacer nada».

Eso es básicamente por qué las células solares son más eficientes que las plantas, dijo. Utilizan algo de la otra luz, la luz en el infrarrojo cercano.

Entonces, una tercera idea es conectar diferentes pigmentos absorbentes de luz en diferentes niveles de la cubierta. En lo alto, los complejos de antenas aún podrían estar compuestos de la clorofila a familiar, que absorbe en la parte visible del espectro, pero más abajo, donde las hojas reciben principalmente luz infrarroja, la clorofila a podría ser reemplazada por clorofila d, cuya absorción alcanza un pico más profundo en el rojo.

Elegir una enzima poky

Después de haber explorado formas de adaptar la recolección de luz a la intensidad y el espectro de la luz disponible, los científicos recurrieron a la próxima barrera importante para mejorar la productividad fotosintética. Esta es la infame enzima RuBisCO.

RuBisCO cataliza el primer paso importante en la fijación de carbono, el proceso por el cual el átomo de carbono en el dióxido de carbono atmosférico se agrega a una molécula de carbono. RuBisCO tiene dos defectos. Una es que para un catalizador, una molécula cuyo trabajo es acelerar las reacciones, es muy lento. «Se da varias vueltas por segundo», dijo Blankenship, «lo cual es muy, muy lento. Algunas enzimas producirán decenas de millones de veces por segundo».

RuBisCO es tan asqueroso que se requieren grandes cantidades de esta (la mitad de la proteína soluble en las hojas) para soportar tasas fotosintéticas adecuadas.

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La enzima dozy RuBisCO. Crédito: Wikimedia Commons

El otro defecto es que RuBisCO no es muy bueno para discriminar entre dióxido de carbono y oxígeno. Si se adhiere al oxígeno, lo que sucede del 25 al 30 por ciento de las veces, las reacciones de fijación de carbono escupen un compuesto llamado glicolato que es tóxico y debe eliminarse. El ciclo de reacción por el cual se elimina, llamado fotorrespiración, es largo, complicado y un gran drenaje para la eficiencia de la planta, dijo Blankenship.

En muchas plantas, un tercio del dióxido de carbono que fija la planta se pierde nuevamente a través de la fotorrespiración. «A veces las personas intentan argumentar que la fotorrespiración tiene algún beneficio, pero al final no creo que mucha gente lo crea», dijo.

Hay muchas variantes naturales de RuBisCO, dijo Blankenship, que representan diferentes compensaciones entre la velocidad de la enzima y su especificidad. Si la enzima distingue bien entre oxígeno y dióxido de carbono, entonces tiende a ser lenta, y si funciona realmente rápido, entonces no es tan selectiva.

Entonces, una idea sería colocar RuBisCOs con una alta tasa catalítica en la cubierta superior para aprovechar al máximo la luz abundante y otras con alta especificidad en la cubierta inferior para minimizar las pérdidas por fotorrespiración donde la luz es limitada, dijo.

Otra es equipar las plantas con un sistema especializado de fijación de carbono que se encuentra en una minoría de plantas. Estas plantas concentran su RuBisCO en células especializadas y bombean dióxido de carbono a esas células para mantener su concentración alta. (Se dice que tienen metabolismo C4, en contraste con la mayoría de las plantas, que tienen metabolismo C3; los nombres se refieren a la cantidad de átomos de carbono en los productos intermedios de las reacciones que fabrican azúcar).

Hay mucho interés en poner el metabolismo C4 (la adaptación de concentración de carbono) en plantas C3 como el arroz, dijo Blankenship. «Ese es el gran objetivo: hacer arroz C4. Es un esfuerzo internacional que involucra a muchos grupos. Todas las enzimas necesarias para hacer la fotosíntesis C4 ya están en la planta. Es solo cuestión de colocarlas en el lugar correcto y activarlas en el tiempo justo.

En una cubierta inteligente, las capas superiores podrían concentrar carbono y las capas inferiores, donde hay menos energía para bombear dióxido de carbono, podrían conformarse con el transporte de dióxido de carbono por difusión.

Algunos de estos proyectos son bastante fáciles, dijo Blankenship, y podrían llevarse a cabo dentro de unos años, pero otros requerirían rediseños radicales o un replanteamiento importante de la arquitectura de la fotosíntesis.

La parte más atractiva, dijo, es que la fotosíntesis está en el extremo frontal del proceso de capturar la energía del sol. «Si pierdes la energía allí, se va, y no tienes ninguna posibilidad de recuperar esa pérdida en etapas posteriores. Por lo tanto, mejorar el front end me parece lo más deseable».


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