Una investigación liderada por dos científicas argentinas identificó pequeños cambios en la estructura de una enzima que resultan determinantes para que cultivos como el maíz, el sorgo y la caña de azúcar puedan utilizar con mayor eficiencia el dióxido de carbono durante la fotosíntesis. El hallazgo permite entender mejor uno de los mecanismos que explican la ventaja adaptativa de las plantas conocidas como C4 y, a futuro, podría aportar herramientas para mejorar la respuesta de otros cultivos frente a condiciones ambientales adversas.
El trabajo fue encabezado por las investigadoras rosarinas Clarisa Alvarez, del Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos (CEFOBI), dependiente del CONICET y de la Universidad Nacional de Rosario, y Verónica Maurino, quien desarrolla su actividad científica en la Universidad de Bonn, Alemania.
Los resultados fueron publicados en dos trabajos complementarios, uno en la revista Molecular Biology and Evolution y otro en The Plant Journal, que incluso llevó el estudio a su portada.
El punto de partida es una diferencia conocida entre dos grandes grupos de plantas. Mientras cultivos como trigo, arroz o tomate utilizan el llamado metabolismo C3, otros de enorme importancia agrícola, como maíz, sorgo y caña de azúcar, desarrollaron durante la evolución un mecanismo denominado fotosíntesis C4.
Ese mecanismo les permite concentrar dióxido de carbono alrededor de la enzima RuBisCO, que es la encargada de fijarlo y convertirlo en compuestos orgánicos necesarios para el crecimiento de la planta.
La ventaja no es menor. Cuando las condiciones ambientales son de alta temperatura, elevada radiación o menor disponibilidad de agua, las plantas C4 tienen una mayor capacidad para aprovechar el dióxido de carbono y reducir las pérdidas asociadas a la reacción de RuBisCO con el oxígeno.
La investigación buscó responder una pregunta bastante más específica. ¿Qué hace que una determinada versión de una enzima pueda participar de ese mecanismo fotosintético mientras otras versiones muy parecidas cumplen funciones metabólicas completamente diferentes?
La protagonista del estudio es la enzima málica dependiente de NADP+, conocida como NADP-ME. En las plantas C4, esta enzima participa en la generación del dióxido de carbono que posteriormente será utilizado por RuBisCO.
Para entender qué la vuelve diferente, las investigadoras compararon distintas versiones de la proteína y estudiaron su estructura a escala molecular.
Los científicos encontraron que modificaciones muy pequeñas en determinados aminoácidos ubicados en las regiones terminales de la enzima son suficientes para estabilizar arquitecturas diferentes. Las versiones que no intervienen directamente en la fotosíntesis se organizan en estructuras formadas por dos subunidades, mientras que la variante propia de la fotosíntesis C4 se ensambla en cuatro.
Ese cambio aparentemente pequeño modifica las propiedades regulatorias y funcionales de la enzima y le permite integrarse al mecanismo que concentra dióxido de carbono alrededor de RuBisCO.
Para llegar a ese resultado, el equipo combinó distintas herramientas de biología estructural, bioquímica, microscopía electrónica y simulaciones computacionales.
Una parte de los experimentos se realizó mediante cristalografía y difracción de rayos X en una estación sincrotrón de Hamburgo, Alemania. La técnica permite reconstruir con enorme precisión la estructura tridimensional de las proteínas y comparar cómo pequeñas modificaciones pueden cambiar su funcionamiento.
Sebastián Klinke, investigador del CONICET y de la Fundación Instituto Leloir, participó en la interpretación computacional de los datos obtenidos mediante cristalografía. También intervinieron científicos del Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario, del Instituto de Física del Sur y de distintas universidades alemanas y británicas.
El interés agrícola del descubrimiento aparece cuando se mira más allá del maíz, el sorgo o la caña de azúcar.
La fotosíntesis C4 evolucionó de manera independiente al menos 65 veces en 19 linajes de plantas. Esa repetición evolutiva muestra que se trata de una adaptación que ofrece una ventaja importante bajo determinadas condiciones ambientales.
Según explicó Alvarez, conocer cuáles son las reglas moleculares que permiten que determinadas enzimas adquieran esas características podría abrir, en el futuro, estrategias de ingeniería y edición génica destinadas a modificar componentes de la fotosíntesis de plantas C3.
La idea sería intentar incorporar algunas de las características que hacen más eficientes a las plantas C4. Pero hay una distancia considerable entre conocer el mecanismo y conseguir aplicarlo en un cultivo.
Los investigadores remarcan que el hallazgo no significa que ahora sea posible transformar un trigo, un arroz o un tomate en una planta C4 simplemente introduciendo estos cambios. Se trata, por ahora, de haber identificado piezas importantes del mecanismo molecular que hace funcionar a este tipo de fotosíntesis. La diferencia es importante porque evita convertir un avance de ciencia básica en una promesa tecnológica inmediata.
