¿Qué es la Rubisco y por qué los científicos quieren mejorarla?

La proteína que alimenta al mundo

Cada hoja de trigo, cada grano de arroz, cada manzana que cuelga de un árbol debe su existencia a una sola enzima: Rubisco. Abreviatura de ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa, la Rubisco es la proteína responsable de extraer dióxido de carbono del aire y convertirlo en los azúcares que alimentan todo el crecimiento de las plantas. Es, por masa, la proteína más abundante en la Tierra: los científicos estiman que hay aproximadamente 5 kg de Rubisco por cada persona viva, repartidos entre bosques, campos y océanos. Más del 90% de todo el carbono inorgánico convertido en materia viva pasa a través de ella.

Sin embargo, a pesar de toda su importancia, la Rubisco es una enzima sorprendentemente torpe, y los científicos de todo el mundo se apresuran a arreglarla antes de que un planeta creciente y en calentamiento se quede sin alimentos.

Cómo funciona la Rubisco

La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas utilizan la luz solar para convertir el CO₂ y el agua en glucosa. La Rubisco se encuentra en el corazón de este proceso, catalizando el paso crítico conocido como fijación de carbono: el momento en que una molécula de CO₂ de la atmósfera es capturada y unida a un azúcar de cinco carbonos, lo que desencadena una cadena de reacciones que finalmente produce alimento.

Sin este paso, no habría biomasa, ni cadena alimentaria, ni oxígeno respirable. En ese sentido, la Rubisco es la enzima más importante del planeta. Pero la evolución, resulta, no la hizo particularmente eficiente.

El problema de la ineficiencia

La Rubisco evolucionó hace aproximadamente 3.500 millones de años, en una atmósfera casi totalmente desprovista de oxígeno. En aquel entonces, funcionaba perfectamente: el CO₂ era abundante, el oxígeno era escaso y la Rubisco capturaba de forma fiable la molécula correcta. El problema es que la atmósfera de la Tierra ha cambiado drásticamente desde entonces, y la Rubisco no se ha mantenido al día.

En el aire rico en oxígeno de hoy en día, la Rubisco regularmente confunde el oxígeno con el CO₂, lo que desencadena una reacción secundaria derrochadora llamada fotorespiración. Este proceso puede consumir hasta el 25-30% de la energía que una planta ya ha invertido en la fotosíntesis, esencialmente obligando a la planta a deshacer el trabajo que ya ha realizado. Además de eso, la Rubisco es extraordinariamente lenta según los estándares de las enzimas, procesando solo 2-10 moléculas de CO₂ por segundo, en comparación con miles de reacciones por segundo para muchas otras enzimas. Para compensar, las plantas deben producir enormes cantidades de ella, dedicando hasta el 50% de su proteína foliar solo a la Rubisco.

El resultado es un cuello de botella fundamental en la agricultura. Muchos de los cultivos básicos más importantes del mundo (trigo, arroz, soja) utilizan la vía básica de la fotosíntesis impulsada por la Rubisco y, por lo tanto, se ven obstaculizados por su ineficiencia.

Por qué es importante para la seguridad alimentaria

Según los investigadores del proyecto RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) de la Universidad de Illinois, mejorar la eficiencia fotosintética es uno de los caminos más prometedores para aumentar drásticamente el rendimiento de los cultivos sin expandir las tierras de cultivo ni aumentar el uso de fertilizantes. Lo que está en juego es alto: se espera que la demanda mundial de alimentos aumente entre un 50 y un 70% para 2050 a medida que la población crezca y las dietas cambien, mientras que las tierras cultivables y los suministros de agua dulce siguen siendo limitados. El cambio climático agrava la presión, ya que el estrés por calor y sequía reduce aún más el rendimiento ya limitado de la Rubisco.

Incluso una modesta mejora en la eficiencia de la Rubisco, por ejemplo, reducir la fotorespiración en un 20%, podría traducirse en importantes ganancias de rendimiento para los cultivos que alimentan a miles de millones de personas.

Aprendiendo de las algas y las antoceros

La naturaleza ya ha resuelto el problema de la Rubisco, al menos en algunos organismos. Las algas y ciertos microorganismos empaquetan la Rubisco en compartimentos densos llamados pirenoideos, que inundan la enzima con CO₂ concentrado y reducen drásticamente la posibilidad del costoso error de unión al oxígeno. Se estima que los sistemas basados en pirenoideos median aproximadamente un tercio de toda la fijación de CO₂ en la Tierra.

El desafío ha sido descubrir cómo diseñar algo similar en las plantas de cultivo. Un avance clave reciente provino del estudio de las antoceros, un humilde grupo de plantas terrestres no vasculares. A diferencia de otras plantas terrestres, las antoceros contienen naturalmente compartimentos similares a los pirenoideos. Los investigadores descubrieron que una característica molecular única de la proteína Rubisco de la antoceros, denominada región STAR, actúa como velcro biológico, lo que hace que las moléculas de Rubisco se agrupen. Crucialmente, cuando los científicos introdujeron esta característica en otras especies de plantas, la Rubisco se reorganizó de la misma manera, lo que sugiere que el mecanismo es portátil y podría transferirse algún día al trigo o al arroz, según Technology Networks.

El camino por delante

La ingeniería de un sistema de concentración de carbono totalmente funcional en los principales cultivos sigue siendo un desafío formidable. Los investigadores aún necesitan construir los "conductos" moleculares que transporten el CO₂ a los nuevos compartimentos y evitar que se escape. El proceso implica la reingeniería simultánea de múltiples componentes que interactúan, una tarea que probablemente requerirá años de ensayos de campo antes de que cualquier cultivo diseñado llegue a los agricultores.

Aún así, el campo está avanzando rápidamente. Desde la evolución dirigida de la propia Rubisco hasta el trasplante al por mayor de la maquinaria de fotosíntesis de algas, los científicos ahora tienen más herramientas que nunca para abordar lo que puede ser el trabajo inacabado más grande de la evolución. Si tienen éxito, la recompensa podría estar entre los avances agrícolas más trascendentales de la historia.