Los científicos están reviviendo enzimas antiguas para mejorar la fotosíntesis

El estudio de Cornell describe un gran avance en la búsqueda de mejorar la fotosíntesis en algunos cultivos, un paso hacia la adaptación de las plantas a los rápidos cambios climáticos y el aumento de los rendimientos para alimentar a 9 mil millones de personas para 2050.

El estudio, «Mejora de la eficiencia de Robisco mediante la reactivación de sus progenitores en la familia Solanaceae», se publicó el 15 de abril. progreso de la ciencia. La autora principal es Maureen Hanson, profesora Liberty Hyde Bailey de Biología Molecular de Plantas en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida. El primer autor Myat Lin es investigador asociado postdoctoral en Hanson Lab.

Los autores desarrollaron un técnica aritmética Predecir la secuencia genética favorable que hace que Rubisco sea una enzima vegetal clave para la fotosíntesis. Esta técnica permitió a los científicos identificar enzimas candidatas prometedoras que podrían modificarse en cultivos modernos y, eventualmente, hacer que la fotosíntesis sea más eficiente y aumentar Cultivos agricolas.

Su método depende de ello. historia evolutivadonde los investigadores predijeron los genes Rubisco hace 20-30 millones de años, cuando apareció el dióxido de carbono (CO .) en la Tierra₂) eran más altos de lo que son hoy y las enzimas Rubisco en las plantas se adaptaron a estos niveles.

Al revivir la antigua Rubisco, los primeros resultados muestran la promesa de un desarrollo más rápido y eficiente de las enzimas Rubisco para incorporarlas a los cultivos y ayudarlos a adaptarse a futuras condiciones cálidas y secas, a medida que las actividades humanas aumentan la retención de calor CO₂ Concentraciones de gases en la atmósfera terrestre.

El estudio describe las predicciones de 98 enzimas Rubisco en momentos clave en la historia evolutiva de las plantas de la familia Solanaceae, que incluye tomates, pimientos, papas, berenjenas y tabaco. Los investigadores están utilizando el tabaco como modelo experimental para sus estudios de Rubisco.

«Pudimos identificar enzimas ancestrales predichas con cualidades superiores en comparación con las enzimas actuales», dijo Hanson. Lin desarrolló una nueva técnica para identificar las antiguas enzimas Rubisco predichas.

Los científicos han sabido que pueden aumentar el rendimiento de los cultivos al acelerar la fotosíntesis, en la que las plantas convierten el dióxido de carbono₂El agua y la luz se convierten en oxígeno y azúcares que las plantas utilizan como energía y para construir nuevos tejidos.

Durante muchos años, los investigadores se han centrado en Rubisco, una enzima lenta que extrae (o fija) el carbono del dióxido de carbono.₂ para hacer azúcares. Además de ser lento, Rubisco a veces cataliza una reacción con el oxígeno del aire; Al hacerlo, crea un subproducto tóxico, desperdicia energía y hace que la fotosíntesis sea ineficiente.

El laboratorio de Hanson probó previamente Rubisco de cianobacterias (azul-alga verde), que es más rápido pero también reacciona fácilmente con el oxígeno, lo que obligó a los investigadores a intentar crear microcámaras para proteger la enzima del oxígeno, con resultados mixtos. Otros investigadores han tratado de mejorar la ingeniería de Rubisco haciendo cambios en los aminoácidos de la enzima, aunque se sabe poco acerca de qué cambios conducirán a los resultados deseados.

En este estudio, Lin reconstruyó la filogenia, un esquema en forma de árbol que muestra el vínculo evolutivo entre grupos de organismos, para Rubisco, utilizando plantas de solanáceas.

«Consiguiendo mucho [genetic] Secuencia Rubisco en plantas existentes, una árbol filogenético Se pueden construir para ver qué Rubiscus probablemente existió hace 20 o 30 millones de años”, dijo Hanson.

La ventaja de identificar una posible secuenciación antigua de Rubisco es que los niveles de dióxido de carbono eran probablemente de 500 a 800 partes por millón (ppm) en la atmósfera hace 25 a 50 millones de años. Hoy, el dióxido de carbono que atrapa el calor₂ Los niveles están aumentando considerablemente debido a diversas actividades humanas, con mediciones actuales de alrededor de 420 partes por millón, después de permanecer relativamente constantes por debajo de 300 partes por millón durante cientos de miles de años hasta la década de 1950.

Lane, Hanson y sus colegas luego usaron un sistema experimental desarrollado para el tabaco en el laboratorio de Hanson y descrito en un artículo de investigación publicado en 2020 en Nature Plants, que usa la bacteria Escherichia coli para probar la efectividad de diferentes versiones de Rubico en un día. Pruebas similares realizadas en plantas tardan meses en verificarse.

El equipo descubrió que las antiguas enzimas Rubisco que se esperaban de las plantas solanáceas modernas mostraban una verdadera promesa de ser más eficientes.

“Para el próximo paso, queremos reemplazar los genes en Rubisco enzima En tabaco con secuencias ancestrales usando CRISPR [gene-editing] «La tecnología, y luego medir cómo afecta la producción de biomasa”, dijo Hanson. “Ciertamente esperamos que nuestros experimentos muestren que al adaptar Rubisco a las condiciones actuales, tendremos plantas que darán mayores rendimientos”.

Si su método tiene éxito, la secuencia Rubisco eficaz podría transferirse a cultivos como los tomates, así como a los de otras familias de plantas, como la soja y el arroz.