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El futuro de la ingeniería de cultivos


La fotosíntesis es el proceso que subyace a todo crecimiento vegetal. Los científicos pretenden aumentar la fotosíntesis para satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos mediante la ingeniería de su enzima clave Rubisco. 


Sociedad Max Planck

Ahora, los investigadores del Instituto de Bioquímica Max Planck han logrado producir una planta funcional Rubisco en una bacteria. Esto permite la ingeniería genética de la enzima. El estudio podría algún día conducir a mejores rendimientos de cultivos y variedades de plantas con mayores eficiencias en el uso del agua o mayor resistencia a la temperatura. Los resultados fueron publicados en Science .

Se prevé que la población mundial superará los 9 mil millones en 2050. Con más bocas que alimentar, existe una necesidad apremiante de mejorar la producción de alimentos. Para satisfacer la demanda mundial de alimentos, los científicos pretenden aumentar la eficiencia de la fotosíntesis y, por lo tanto, la productividad de los cultivos.

Impulsando la fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso biológico fundamental que subyace a todo crecimiento de plantas y apoya la vida en la Tierra. Las plantas utilizan 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 de CO2 de la atmósfera. Al hacerlo, las plantas utilizan CO2 para construir biomasa y producir la energía necesaria para el crecimiento. Sin embargo, Rubisco es una enzima ineficiente ya que captura el CO2 lentamente. Las reacciones competitivas con O2 perjudican aún más la eficacia catalítica de Rubisco. Por estas razones, Rubisco a menudo limita la velocidad de la fotosíntesis y, en última instancia, el crecimiento de las plantas, lo que convierte a Rubisco en un objetivo candente para la ingeniería genética .

La ingeniería de la planta Rubisco y la fotosíntesis se verían favorecidas por la expresión funcional de la enzima en huéspedes 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 liderado por Manajit Hayer-Hartl, jefe del grupo de investigación “Proteínas Plegadas Asistidas por Chaperonina”, ha identificado los requisitos para expresar y ensamblar la planta Rubisco en una bacteria. Se espera que sus hallazgos aceleren enormemente los esfuerzos para mejorar la fotosíntesis a través de la ingeniería de Rubisco.

La línea de montaje de Rubisco.

La enzima de Rubisco consiste en ocho subunidades grandes y ocho pequeñas. El plegamiento de proteínas de las subunidades grandes es asistido por chaperoninas específicas, jaulas de plegamiento macromoleculares, en las cuales las proteínas recién sintetizadas pueden asumir su adecuada conformación funcional. Después del plegamiento, varias proteínas auxiliares adicionales (chaperonas) ayudan al ensamblaje adecuado de las subunidades en el complejo de enzimas grandes.

Los investigadores generaron Rubisco de planta funcional en un huésped bacteriano al expresar simultáneamente chaperones de planta 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 de 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 nuevamente 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 montajepara carros. Mientras que anteriormente, cada variante optimizada de Rubisco tenía que ser expresada minuciosamente en una planta transgénica, que demora un año o más en generarse, como construir un auto a mano, ahora podemos hacer cientos o miles de variantes de Rubisco en días o semanas. Es como construir autos en una línea de montaje automatizada “, explica Hayer-Hartl.

Variantes de Rubisco Superior

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 las variedades de plantas con mayor eficiencia en el uso del agua o mayor resistencia a la temperatura, propiedades que son de especial importancia en vista del calentamiento global y la creciente escasez de agua.

Más información: H. Aigner et al. Planta de montaje de RuBisCo enE. Coli con cinco chaperonas de cloroplasto, incluyendo BSD2, Science (2017). DOI: 10.1126 / science.aap9221 

Referencia del diario: Ciencia  

Proporcionado por: Max Planck Society

Información de: phys.org


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