Sociedad Max Planck

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 Rubisco. Rubisco cataliza el primer paso en la producción de carbohidratos en las plantas , 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, Rubisco es una enzima ineficiente ya que captura CO2 lentamente. Las reacciones competitivas con 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 la planta, lo que convierte a Rubisco en un blanco candente parala ingeniería genética .

La ingeniería de la planta de 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 la planta 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 “Proteína Plegada asistida por Chaperonin”, ha identificado los requisitos para expresar y ensamblar la planta Rubisco en una bacteria. Se espera que sus hallazgos aceleren en gran medida los esfuerzos para mejorar la fotosíntesis a través de la ingeniería de Rubisco.

La cadena de montaje Rubisco

La enzima Rubisco consiste en ocho subunidades grandes y 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 planta funcional 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 Rubisco para mejorar las propiedades de Rubisco. 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 de Rubisco. “El sistema de expresión bacteriana se asemeja a una línea de montaje para carros. Mientras que antes todas las variantes optimizadas de Rubisco tenían que expresarse minuciosamente en una planta transgénica, que tarda un año o más en generar, como construir un automóvil a mano, ahora podemos fabricar cientos o miles de variantes de Rubisco en días o semanas. Es como construir autos en una línea de ensamblaje automatizada “, explica Hayer-Hartl.

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 los rendimientos 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.