Un nuevo estudio propone una nueva estrategia para acelerar el crecimiento de los cultivos tomando prestado el mecanismo de las especies de algas verdes de rápido crecimiento
El alga Chlamydomonas reinhardtii contiene un orgánulo llamado pirenoide. El pirenoide acelera la conversión del carbono que las algas toman del aire en una forma que los organismos pueden usar para crecer.
En un artículo publicado el 19 de mayo de 2022 en la revista Nature Plants, los científicos de la Universidad de Princeton y sus colegas dijeron que usaron modelos moleculares para identificar las características de los pirenoides más importantes para mejorar la fijación de carbono y luego mapearon cómo se podría implementar esta funcionalidad en las plantas cultivadas. .
Hoy en día, para muchas personas, la mayor parte de las calorías de la dieta provienen de plantas cultivadas que fueron 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 una población humana en crecimiento. Sin embargo, ahora se necesitan nuevas tecnologías, ya que la seguridad alimentaria se ve amenazada por el cambio climático.
Los científicos creen que los pirenoides de algas ofrecen tal innovación. Si crea la capacidad, como los pirenoides, de concentrar el carbono en plantas como el trigo y el arroz, estas importantes fuentes de alimentos acelerarán en gran medida el desarrollo.
«En nuestro estudio, tratamos de brindar una guía clara sobre cómo desarrollar el mecanismo de concentración de carbono en las plantas, incluidos los cultivos principales», dijo Martin Ynikas, autor principal del estudio, profesor asociado de biología molecular en Princeton e investigador de la el Instituto Médico Howard Hughes.
El alga Chlamydomonas reinhardtii logra la fijación de carbono mediante la acción de la enzima Rubisco, que cataliza la conversión de CO2 a carbono orgánico.
Las plantas terrestres también usan Rubisco para secuestrar carbono, pero en la mayoría de las plantas la enzima funciona a aproximadamente un tercio de su capacidad porque no puede obtener suficiente CO2 para trabajar más rápido.
Por lo tanto, se están realizando esfuerzos para estudiar los mecanismos de concentración de carbono, especialmente los que se encuentran en las cianobacterias y las clamidomonas, con la esperanza de eventualmente proporcionar esta función a las plantas agrícolas terrestres.
Pero hay un problema. «Aunque se conoce la estructura del pirenoide y muchos de sus componentes, las preguntas biofísicas clave sobre el mecanismo siguen sin respuesta debido a la falta de análisis cuantitativo y sistemático», dice el coautor principal Ned Wingreen, profesor de la Universidad de Princeton. Howard A. Pryor y Profesor de Biología Molecular y el Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa.
Para obtener información sobre cómo funciona el mecanismo de concentración de carbono de los pirenoides de algas, el estudiante graduado de Princeton Cheney Fey y la estudiante graduada de 2020 Alexandra Wilson desarrollaron un modelo informático de pirenoides con la ayuda del coautor Niall Mangan, profesor asistente de ingeniería y matemáticas aplicadas en Northwestern Universidad de Illinois. .
Trabajos anteriores han demostrado que el pirenoide de Chlamydomonas reinhardtii está compuesto por una matriz esférica de Rubisco a través de la cual pasa una vasculatura de excrecencias encerradas en una membrana llamadas túbulos pirenoides rodeados por una vaina de almidón.
Se cree que el CO 2 absorbido del medio ambiente se convierte en bicarbonato y luego se transporta a los túbulos, donde luego ingresa a los pirenoides. Una enzima presente en los túbulos vuelve a convertir el bicarbonato en CO2, que luego se difunde en la matriz de Rubisco. Los científicos han descubierto los detalles.
“Nuestro modelo demuestra que esta imagen tradicional del mecanismo pirenoide de concentración de carbono no puede funcionar porque el CO 2 fluye rápidamente hacia afuera del pirenoide antes de que Rubisco pueda actuar sobre él. En cambio, la capa de almidón alrededor del pirenoide debería actuar como una barrera de difusión para atrapar el CO2 en los pirenoides con Rubisco”, comentó Wingreen.
Además de identificar esta barrera de difusión, el modelo identificó otras proteínas y características estructurales necesarias para la concentración de CO2. El modelo también identificó componentes innecesarios que deberían facilitar la introducción de pirenoides en las plantas. Los investigadores demostraron que este modelo simplificado de un pirenoide se comporta de manera similar a un orgánulo real.
(Fuente: phys.org. Foto: pixabay.com).
