Investigadores de Suecia analizaron 15.000 variantes de Rubisco y descubrieron mutaciones que podrían orientar el desarrollo de cultivos más eficientes ante el cambio climático.
Redacción: Redacción Mundo Agropecuario BET
Editor: Eduardo Schmitz
Un equipo de científicos del Instituto Real de Tecnología KTH, en Suecia, ha identificado modificaciones genéticas capaces de mejorar determinadas propiedades de Rubisco, una enzima fundamental para la fotosíntesis. La investigación, publicada en octubre de 2026 en la revista científica Science Advances, representa un avance experimental en la búsqueda de mecanismos que permitan aprovechar mejor el dióxido de carbono durante el crecimiento de los organismos fotosintéticos.
Los investigadores desarrollaron y evaluaron aproximadamente 15.000 variantes modificadas de una Rubisco bacteriana. Entre ellas encontraron mutaciones que reducen su reacción con el oxígeno sin eliminar su capacidad de procesar dióxido de carbono, una característica de especial interés para la ingeniería de enzimas fotosintéticas.
Aunque los experimentos se realizaron en bacterias fotosintéticas y no directamente en plantas agrícolas, los resultados proporcionan información que podría orientar futuras investigaciones destinadas a mejorar la eficiencia fotosintética de los cultivos.
La enzima que condiciona la eficiencia de la fotosíntesis
Rubisco, cuyo nombre completo es ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa, desempeña una función esencial en la fijación del carbono. Su actividad permite incorporar dióxido de carbono a compuestos orgánicos que posteriormente participan en la formación de azúcares y otras moléculas necesarias para el crecimiento.
Sin embargo, esta enzima presenta una limitación bioquímica importante: además de reaccionar con dióxido de carbono, también puede utilizar oxígeno. Esta segunda reacción genera productos que las plantas deben procesar mediante la fotorrespiración, un mecanismo que consume recursos metabólicos y puede reducir la eficiencia global de la fotosíntesis.
La posibilidad de modificar Rubisco constituye una línea de investigación relevante para la biotecnología agrícola. De hecho, estudios anteriores sobre la expresión transgénica de componentes de Rubisco en el maíz han demostrado que intervenir en los mecanismos asociados a esta enzima puede favorecer la fotosíntesis y determinadas respuestas fisiológicas de las plantas.
La investigación sueca aborda el problema desde otra perspectiva: identificar qué cambios en la estructura y actividad de Rubisco pueden mejorar su comportamiento antes de intentar trasladar esos conocimientos a especies cultivadas.
Un laboratorio analiza 15.000 versiones de Rubisco
El equipo del KTH, en el que participaron el profesor de biología de sistemas Paul Hudson y el investigador Axel Knave, utilizó una plataforma experimental de análisis de alto rendimiento para estudiar miles de variantes de la enzima.
Cada versión modificada incorporaba una etiqueta corta de ADN que permitía identificarla y seguir su comportamiento dentro de células fotosintéticas vivas. Este procedimiento facilitó la evaluación simultánea de numerosas modificaciones, incluidas mutaciones individuales y combinaciones de varios cambios genéticos.
Los científicos seleccionaron una Rubisco bacteriana de tipo II porque presenta una estructura relativamente sencilla y resulta más accesible para realizar experimentos a gran escala.
Algunas enzimas bacterianas de este grupo pueden procesar dióxido de carbono con mayor rapidez que las presentes en plantas. Sin embargo, también muestran una mayor tendencia a reaccionar con oxígeno, lo que limita su utilidad como punto de partida para mejorar la fotosíntesis.
El objetivo consistía en identificar variantes capaces de conservar una velocidad favorable de fijación del carbono y, simultáneamente, disminuir las reacciones no deseadas con oxígeno.
Mutaciones prometedoras, pero con limitaciones bioquímicas
Los resultados permitieron identificar dos variantes especialmente interesantes. Ambas presentaron una menor reacción con oxígeno mientras mantenían una actividad útil de procesamiento del dióxido de carbono.
No obstante, los investigadores observaron compensaciones entre distintas propiedades enzimáticas. Una mutación favorable para reducir la oxigenación no necesariamente producía una mejora equivalente en la eficiencia global de utilización del carbono.
Otro hallazgo relevante fue que algunas modificaciones beneficiosas cuando se introducían individualmente dejaban de funcionar de la misma manera al combinarse con otras mutaciones.
Este comportamiento demuestra que la ingeniería de Rubisco no consiste simplemente en reunir cambios genéticos que producen buenos resultados por separado. Las interacciones entre diferentes regiones de la proteína pueden modificar de manera considerable el efecto final.
La complejidad de estas relaciones constituye uno de los desafíos de la predicción de los efectos de las modificaciones genéticas, especialmente cuando intervienen múltiples genes, proteínas o mutaciones relacionadas.
Los modelos computacionales todavía tienen dificultades
Además de los ensayos experimentales, el equipo evaluó diferentes modelos informáticos diseñados para anticipar cómo las mutaciones modificarían el comportamiento de Rubisco.
Las herramientas mostraron una capacidad de predicción más favorable cuando analizaban cambios individuales. Sin embargo, su precisión disminuía al intentar estimar los resultados de combinaciones de mutaciones.
Esta diferencia pone de manifiesto la importancia de disponer de grandes conjuntos de datos experimentales para comprender las relaciones entre estructura molecular y función enzimática.
La información recopilada durante el estudio incluye tanto variantes que produjeron resultados prometedores como modificaciones que no generaron los efectos buscados. Ambos grupos son útiles para mejorar futuros modelos de predicción.
En paralelo, otras investigaciones están desarrollando métodos para acelerar la identificación de objetivos genéticos en plantas. Un ejemplo es el uso de pruebas fluorescentes en hojas para evaluar modificaciones relacionadas con la edición genética de cultivos, una estrategia que permite estudiar mecanismos moleculares directamente en tejidos vegetales.
La combinación de plataformas experimentales y herramientas computacionales podría facilitar la selección de variantes prometedoras antes de emprender ensayos más complejos.
De las bacterias a los cultivos agrícolas
La posible aplicación agrícola de los resultados requiere superar una diferencia fundamental: las variantes estudiadas pertenecen a una enzima bacteriana y no corresponden directamente a la Rubisco de los cultivos.
Por ello, los científicos todavía deben determinar si los principios identificados pueden trasladarse a enzimas vegetales y producir efectos favorables dentro de las células de las plantas.
Una mejora bioquímica observada en condiciones experimentales tampoco garantiza automáticamente un incremento de biomasa, crecimiento o rendimiento agrícola. La fotosíntesis depende de numerosos procesos coordinados y de factores ambientales que influyen sobre el funcionamiento de toda la planta.
La investigación se relaciona con los esfuerzos de comprender y modificar los mecanismos genéticos asociados al metabolismo y desarrollo vegetal, fundamentales para orientar nuevas estrategias de mejoramiento.
El siguiente desafío será comprobar cómo responden las variantes en sistemas biológicos más cercanos a los cultivos agrícolas y establecer si sus propiedades pueden mantenerse bajo diferentes condiciones fisiológicas.
Una herramienta potencial frente al cambio climático
El interés por mejorar la fotosíntesis está relacionado con la necesidad de desarrollar sistemas agrícolas capaces de mantener su productividad frente a condiciones ambientales cada vez más exigentes.
El aumento de las temperaturas y los períodos de sequía pueden acortar las temporadas de crecimiento y limitar la capacidad productiva de numerosos cultivos. En este contexto, aumentar la eficiencia con la que las plantas utilizan el carbono representa una posible vía complementaria para el mejoramiento vegetal.
Sin embargo, una Rubisco más eficiente no equivale por sí sola a una planta resistente a la sequía o al calor. Esas características dependen también de la regulación hídrica, el funcionamiento celular y múltiples mecanismos fisiológicos.
El desarrollo de variedades agrícolas con nuevas características también exige procesos de validación y evaluación. En Europa, por ejemplo, la regulación de los cultivos obtenidos mediante técnicas de edición genética forma parte del marco que condiciona la eventual aplicación comercial de determinadas innovaciones biotecnológicas.
Por ahora, el aporte principal del estudio sueco consiste en ampliar el conocimiento sobre las posibilidades y limitaciones de modificar una enzima central de la fotosíntesis.
Próximos experimentos con enzimas modificadas
Los investigadores continuarán estudiando las variantes identificadas para intentar reducir todavía más la reacción con oxígeno y comprender qué componentes estructurales determinan la capacidad de Rubisco para seleccionar dióxido de carbono.
El equipo también está probando nuevas enzimas en células vegetales y en cianobacterias utilizadas para producir compuestos de interés mediante procesos biológicos, dentro de una iniciativa financiada por la Unión Europea.
El estudio, encabezado por Ute A. Hoffmann y colaboradores, se publicó con el título The fitness landscape of a form II rubisco in a photosynthetic bacterium guides engineering of oxygen tolerance.
Sus resultados proporcionan una base experimental para estudiar cómo determinadas modificaciones moleculares alteran el funcionamiento de Rubisco. La eventual aplicación a cultivos agrícolas dependerá de que futuras investigaciones demuestren mejoras reproducibles en plantas y, posteriormente, en condiciones productivas.
Fuentes referenciales:
Science Advances — Investigación científica original
KTH Royal Institute of Technology
Phys.org — Información científica
