No necesitas haber estudiado una carrera en ciencias biológicas para haber escuchado sobre la fotosíntesis. Seguramente, durante tus clases de ciencias naturales te debieron informar sobre la importancia de este proceso. Quienes lo llevan a cabo son las células vegetales (incluyo plantas, micro y macro algas y otras formas de vida). El aprovechamiento de la energía solar, la fijación de carbono y la disociación de la molécula del agua para la producción de oxígeno y alimento. Este proceso es lo que sustenta la vida en la tierra.
Sin embargo, la fotosíntesis no es un proceso totalmente perfecto. Pongamos un poco de atención a la enzima más abundante sobre la tierra, la Rubisco. Esta proteína es la gran responsable de realizar los dos procesos más importantes de la fotosíntesis, la fijación de carbono y la fotorrespiración. El primero se encarga de atrapar al CO2 inorgánico para convertirlo en una forma orgánica, como la glucosa. En el segundo, es la molécula de oxígeno la que se une al centro activo de la enzima, quitándole su lugar al CO2, evitando así su fijación. La molécula producida en este proceso debe transformarse posteriormente durante la fotorrespiración. Este proceso consume energía, lo que provoca una disminución en el rendimiento de la fotosíntesis.
Es necesario incrementar los rendimientos en la producción de los cultivos que los alimentarán a una población estimada de 9000 millones de personas en 2050. Desde hace siglos, el mejoramiento de cultivos de manera convencional ha logrado sustentar hasta cierto punto el alimento requerido por la población actual, ayudado desde hace algunas décadas por técnicas de biotecnología moderna. Sin embargo, estos avances han alcanzado sus límites biológicos y actualmente se requiere de innovaciones en estas áreas de estudio.
El proyecto RIPE
Actualmente se están realizando esfuerzos utilizando el conocimiento y las herramientas de las que disponemos hoy día, para lograr la siguiente revolución verde. El proyecto RIPE (Realizing Increased Photosyntethic Eficiency, por sus siglas en inglés) es un proyecto de investigación internacional, liderado por la Universidad de Illinois. Busca diseñar cultivos para que sean más productivos, ¿Cómo? Mejorando el proceso de fotosíntesis. Si el proyecto es exitoso, se espera que se duplique la productividad de cultivos como el arroz y el maíz, por mencionar algunos.
Hackeando el proceso de fotosíntesis
El equipo del proyecto RIPE busca hackear los 170 pasos involucrados en el proceso de la fotosíntesis. Su estrategia es probar una representación matemática de todo el proceso fotosintético in silico. Esto permitirá identificar cuál de los billones de cambios probables pueda ser el que más retribuya a la hora de potenciar el rendimiento. El primer paso es la simulación del proceso de crecimiento de un cultivo. Esto les permitan descubrir oportunidades que puedan mejorar la fotosíntesis y potenciar el rendimiento. Con los rápidos avances en tecnología, las computadoras pueden simular la fotosíntesis en un ambiente de vida real. Esta simulación puede mostrar qué le pasa a las plantas si las variables fueran manipuladas. Por ejemplo, la distribución de la energía de la luz si se altera el ángulo de las hojas.
Tabaco como cultivo modelo
El siguiente paso es probar la mejor combinación de modificaciones mejorando un cultivo modelo como el tabaco. El tabaco es una planta de fácil transformación genética, de ciclo de vida corto y con una alta tasa de producción de semillas, esto permite a los investigadores hacer modificaciones con mayor precisión y velocidad.
Fotorrespiración relajada
A pesar de que la luz es fundamental para que se lleve a cabo el proceso de fotosíntesis, una alta intensidad puede dañar a la planta. Para evitar esto, las plantas tienen mecanismos para protegerse así mismas, sin embargo, cuando las hojas están a la sombra, el proceso de protección puede inhibir la fotosíntesis por varios minutos, incluso horas. Uno de estos mecanismos de protección es llamado enfriamiento no fotoquímico (NPQ, del inglés Non-Photochemical Quenching). El NPQ se activa rápidamente en altas intensidades de luz, pero se apaga muy lentamente cuando la luz comienza a escasear, por ejemplo, si dicha luz es interrumpida abruptamente por una nube. Como resultado, la eficiencia fotosintética disminuye. El proyecto RIPE busca disminuir el tiempo de recuperación de la planta en la sombra, permitiendo que la planta fotosintetice de manera más eficiente conforme fluctúe la intensidad de luz durante el día.
Mecanismos algales
Las cianobacterias, mejor conocidas como algas verde-azules, han desarrollado un proceso a través de la evolución que favorece que la rubisco se ancle más efectivamente al CO2 en lugar del oxígeno. Esto lo han logrado desarrollando organelos conocidos como carboxisomas que se encargan de albergar a la enzima rubisco. Entonces, bombas de bicarbonato rodean a la rubisco para abastecerla de altas concentraciones de dióxido de carbono, así el oxígeno no se une a la enzima. Los modelos desarrollados por RIPE sugieren un rediseño de las bombas de bicarbonato y la síntesis de estructuras como carboxisomas que mejoren la eficiencia fotosintética. Sin embargo, esto es un reto de mucho más cuidado ya que se requiere de muchas proteínas para formar estas estructuras. Afortunadamente, parte del equipo de RIPE, en la Universidad Nacional Australiana, han tenido éxito construyendo estructuras similares a carboxisomas en cultivos.
Transfiriendo cultivos mejorados a campo
Antes de que cualquiera de los cultivos de interés pase a una fase de producción y consumo humano, se deben de describir las características fenotípicas y genotípicas de las plantas. Cada prueba debe pasar por un mecanismo riguroso durante el proceso de aprobación para asegurar que estos cultivos son seguros para el ambiente y alimentación. Además, el compromiso de este proyecto es proveer acceso global a los agricultores y comunidades que necesiten de estas tecnologías.
Puedes encontrar más información sobre el proyecto RIPE AQUÍ.
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