Los componentes del cloroplasto llamados tilacoides en estas gotas de 90 micrómetros utilizan la luz solar para convertir el dióxido de carbono en compuestos orgánicos.
Al igual que los mecánicos improvisan piezas de motores viejos para construir un nuevo roadster, los biólogos sintéticos han rehecho los cloroplastos, el motor en el corazón de la fotosíntesis. Al combinar la maquinaria de recolección de luz de las plantas de espinaca con enzimas de nueve organismos diferentes, los científicos informan que fabrican 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 mejorado sistema de fotosíntesis eventualmente convierta el CO2 directamente en sustancias químicas útiles, o ayude a las plantas modificadas genéticamente 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 que 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 pasan la energía extra a los socios moleculares que la utilizan para generar los químicos que almacenan energía: adenosina trifosfato (ATP) y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH). Un conjunto de otras enzimas que trabajan en un ciclo complejo luego usan ATP y NADPH para convertir el CO 2 del aire en glucosa y otras moléculas orgánicas ricas en energía que la planta usa para crecer.
La conversión de CO2 comienza con una enzima llamada RuBisCO, que hace que el CO2 reaccione con un compuesto orgánico clave, iniciando una cadena de reacciones necesarias para producir metabolitos vitales en las plantas. Tan eficaz como es la fotosíntesis, también tiene un problema, dice Tobias Erb, biólogo sintético del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre. “RuBisCO es muy lento”, dice. Cada copia de la enzima puede agarrar y utilizar sólo de cinco a 10 moléculas de CO2 por segundo. Eso pone un límite de velocidad a la rapidez con que las plantas pueden crecer.
En 2016, Erb y sus colegas buscaron acelerar las cosas mediante el diseño de un nuevo conjunto de reacciones químicas. En lugar de RuBisCO, lo sustituyeron por una enzima bacteriana que puede atrapar moléculas de CO2 y obligarlas a reaccionar 10 veces más rápido. En combinación con otros 16 enzimas de nueve organismos diferentes, esto creó un nuevo CO2 ciclo -to-orgánico-químico que llamaron el ciclo CETCH.
Eso se encargó del segundo paso. Pero para que todo el proceso se ejecute con luz solar, el primer paso, Erb y sus colegas recurrieron a componentes de cloroplasto llamados membranas tilacoides, conjuntos en forma de bolsa que contienen clorofila y otras enzimas fotosintetizantes. Otros investigadores habían demostrado previamente que las membranas tilacoides pueden operar fuera de las células vegetales. Así que Erb y sus colegas extrajeron membranas de tilacoides de las células de las hojas de espinaca y demostraron que sus conjuntos también podían absorber la luz y transferir su energía a las moléculas de ATP y NADPH. El emparejamiento de los tilacoides que recolectan luz con su sistema de ciclo CETCH permitió al equipo usar la luz para convertir continuamente el CO2 en un metabolito orgánico llamado glicolato, informaron ayer en Science.
Para integrar el aparato de recolección de luz con el ciclo CETCH, los investigadores tuvieron que hacer algunos ajustes, señala Erb, intercambiando algunas de las enzimas de la vía CETCH. Para optimizar el conjunto completo, Erb y sus colegas se unieron a Jean-Christophe Baret, un experto en microfluidos del Centro de Investigación Paul Pascal. El equipo de Baret diseñó un dispositivo que genera miles de pequeñas gotas de agua en aceite e inyecta cada una con diferentes cantidades de conjuntos de membranas tilacoides y enzimas del ciclo CETCH. Eso permitió a los investigadores encontrar la receta más eficiente para producir glicolato. Más comparaciones de todas las posibles combinaciones y concentraciones de diferentes elementos podrían hacer que el proceso sea aún más eficiente, comenta Arnold. "Esta es una buena manera de hacerlo".
Erb dice que él y sus colegas esperan modificar aún más su configuración para producir otros compuestos orgánicos que son incluso más valiosos que el glicolato, como las moléculas de fármacos. También esperan convertir de manera más eficiente el CO2 capturado en compuestos orgánicos que las plantas necesitan para crecer. Eso abriría la puerta a la ingeniería genética de esta nueva vía de fotosíntesis en cultivos para crear nuevas variedades que crezcan mucho más rápido que las variedades actuales, una bendición para la agricultura en un mundo con una población en auge.
* Corrección, 12 de mayo, 3 pm: una versión anterior de esta historia sugirió que Frances Arnold cree que los cloroplastos artificiales podrían ayudar en los esfuerzos para convencer a las plantas de que absorban más CO2 , un sentimiento que en realidad fue expresado por los autores del artículo.
Traducción: Cecilia González P.
Publicado: 10 de junio de 2021
Fuente: Science
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