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Desarrollan cloroplastos artificiales que convierten la luz solar y CO2 en compuestos orgánicos

Los componentes de cloroplasto llamados tilacoides en estas gotas de 90 micrómetros, usan la luz solar para convertir el dióxido de carbono en compuestos orgánicos. | Imagen: T. INSTITUTO MILLER / MAX PLANCK PARA MICROBIOLOGÍA TERRESTRE; T. BENEYTON / UNIVERSIDAD DE BURDEOS

Durante cientos de millones de años, las plantas han tenido la capacidad de aprovechar el dióxido de carbono del aire utilizando energía solar, y ahora, investigadores han construido células artificiales como biorreactores verdes sostenibles. Un equipo de investigación ha logrado desarrollar una plataforma para la construcción automatizada de módulos de fotosíntesis del tamaño de una célula. Los cloroplastos artificiales son capaces de unir y convertir el dióxido de carbono (gas de efecto invernadero) utilizando energía luminosa.

Science / 8 de mayo, 2020.- Al igual que los mecánicos improvisan piezas viejas del motor para construir un nuevo roadster, los biólogos sintéticos han reconstruido los cloroplastos, el motor en el corazón de la fotosíntesis. Al combinar la maquinaria de “recolección” de luz de plantas de espinacas con enzimas de nueve organismos diferentes, los científicos reportan que fabricaron un cloroplasto artificial que opera fuera de las células para recolectar la luz solar y usar la energía resultante para convertir el dióxido de carbono (CO2) en moléculas ricas en energía. Los investigadores esperan que su sistema de fotosíntesis mejorado pueda eventualmente convertir el CO2 directamente en químicos útiles, o ayudar a las plantas genéticamente modificadas a absorber hasta 10 veces el CO2 atmosférico de las normales.

“[Esto] es muy ambicioso”, dice Frances Arnold, ingeniera química del Instituto de Tecnología de California quien no participó en la investigación. Ella dice que el esfuerzo del trabajo para reprogramar la biología podría mejorar los intentos de convertir el CO2 directamente en productos químicos útiles.

La fotosíntesis es un proceso de dos pasos. En los cloroplastos, las moléculas de clorofila absorben la luz solar y transfieren la energía extra a los socios moleculares que la utilizan para generar los productos químicos que almacenan energía en adenosin trifosfato (ATP) y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH). Un conjunto de otras enzimas que trabajan en un ciclo complejo utiliza ATP y NADPH para convertir el CO2 del aire en glucosa y otras moléculas orgánicas ricas en energía que la planta utiliza para crecer.

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La conversión de CO2 comienza con una enzima llamada RuBisCO, que provoca que el CO2 reaccione con un compuesto orgánico clave, iniciando una cadena de reacciones necesarias para producir metabolitos vitales en las plantas. Tan efectiva como es la fotosíntesis, también tiene un problema, dice Tobias Erb, biólogo sintético del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre. “RuBisCO es muy lenta”, dice. Cada copia de la enzima puede capturar y usar solo de 5 a 10 moléculas de CO2 por segundo. Eso pone un límite de velocidad sobre qué tan rápido pueden crecer las plantas.

En 2016, Erb y sus colegas buscaron acelerar las cosas mediante el diseño de un nuevo conjunto de reacciones químicas. En lugar de RuBisCO, sustituyeron una enzima bacteriana que puede atrapar moléculas de CO2 y obligarlas a reaccionar 10 veces más rápido. En combinación con otras 16 enzimas de nueve organismos diferentes, esto creó un nuevo ciclo de CO2 a químico orgánico que denominaron el ciclo CETCH.

Eso se encargó del segundo paso. Pero para lograr que todo el proceso funcione con la luz solar, el primer paso, Erb y sus colegas recurrieron a componentes del cloroplasto llamados membranas tilacoides, conjuntos similares a bolsas que contienen clorofila y otras enzimas fotosintéticas. Otros investigadores habían demostrado previamente que las membranas tilacoides pueden operar fuera de las células vegetales. Entonces, Erb y sus colegas extrajeron las membranas tilacoides de las células de las hojas de espinaca y demostraron que sus ensamblajes también podían absorber la luz y transferir su energía a las moléculas de ATP y NADPH. Combinar los tilacoides de recolección de luz con su sistema de ciclo CETCH permitió al equipo usar la luz para convertir continuamente el CO2 en un metabolito orgánico llamado glicolato, según reportaron en el nuevo estudio en Science.

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Para integrar el aparato de captación de luz con el ciclo CETCH, los investigadores tuvieron que hacer algunos ajustes, según observa Erb, intercambiando algunas enzimas de la ruta CETCH. Para optimizar el conjunto completo, Erb y sus colegas se asociaron con Jean-Christophe Baret, un experto en microfluídica en el Centro de Investigación Paul Pascal. El equipo de Baret diseñó un dispositivo que genera miles de pequeñas gotas de agua en aceite e inyecta a cada una diferentes cantidades de conjuntos de membrana de tilacoides y enzimas del ciclo CETCH. Eso permitió a los investigadores encontrar la receta más eficiente para producir glicolato. Arnold comenta que las comparaciones adicionales de todas las combinaciones y concentraciones posibles de diferentes elementos podrían hacer que el proceso sea aún más eficiente. “Esta es una buena manera de hacerlo”.

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Erb dice que él y sus colegas esperan modificar aún más su configuración para producir otros compuestos orgánicos que son aún más valiosos que el glicolato, como las moléculas de fármacos. También esperan convertir más eficientemente el CO2 capturado en compuestos orgánicos que las plantas necesitan para crecer. Eso abriría la puerta a la ingeniería de los genes para esta nueva ruta de fotosíntesis en cultivos para crear variedades nuevas que crezcan mucho más rápido que las variedades actuales, una bendición para la agricultura en un mundo con una población en auge.

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