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Plantas mutantes para neutralizar el exceso de dióxido de carbono

Científicos alemanes y estadounidenses han diseñado una ruta biosintética para lograr una fijación más eficaz del carbono en las plantas aprovechando la experiencia de síntesis de ADN.
Esta nueva vía se basa en una nueva enzima fijadora de CO2 que es casi 20 veces más rápida que la enzima más prevalente en la naturaleza responsable de capturar CO2 en las plantas mediante el uso de la luz solar como energía.
"Hemos visto cómo los esfuerzos por reunir directamente rutas sintéticas para la fijación de CO2 en un organismo vivo no han tenido éxito hasta ahora -afirma el director del estudio, Tobias Erb, del Instituto Máx Planck para Microbiología Terrestre--. Así que tomamos un enfoque radicalmente diferente, reduccionista, ensamblando los componentes principales sintéticos de manera ascendente en un tubo de ensayo".
A pesar de la gran diversidad de organismos del planeta que expresan enzimas para convertir el dióxido de carbono en compuestos orgánicos como los azúcares -como hacen las plantas a través de la fotosíntesis-- los esfuerzos por aprovechar estas capacidades para transformar CO2 en productos de alto valor como biocombustibles y productos químicos han tenido un éxito limitado. Aunque la creciente concentración de CO2 en la atmósfera plantea un desafío, los investigadores también lo ven como una oportunidad.
El equipo comenzó con varias rutas teóricas de fijación de CO2 que podrían dar lugar a ciclos continuos de carbono, pero no se detuvieron allí. "No restringimos nuestros esfuerzos de diseño a las enzimas conocidas, sino que consideramos todas las reacciones que parecían bioquímicamente factibles", relata Erb.
A diferencia de la secuenciación del ADN, donde el lenguaje de la vida se lee a partir del genoma de un organismo, la síntesis de ADN implica primero la identificación de un elemento genético particular --como una enzima para fijar el carbono de la atmósfera-- y escribir y expresar ese código en un nuevo sistema.
Al final, obtuvieron, a través de secuenciación y síntesis, 17 enzimas diferentes de nueve organismos distintos a través de los tres reinos de la vida y dispusieron estas partes para lograr una prueba de principio de funcionamiento de la fijación de CO2 que excede lo que se puede encontrar en la naturaleza. Erb llama a esto el "ciclo CETCH" (crotonil-CoA /etilmalonil-12 CoA / hidroxibutiril-CoA).
PIEZAS IMPORTANTES DEL "ROMPECABEZAS CLIMÁTICO"
Al desplegar el concepto de "retrosíntesis" metabólica, desmantelando la reacción paso a paso hasta los precursores más pequeños, el equipo hizo malabares con las condiciones termodinámicas y elaboró una estrategia que produjo resultados más prometedores que competían favorablemente con las vías metabólicas naturales. Entonces, buscaron en las bases de datos públicas las enzimas que sustentan su modelo y seleccionaron varias docenas para probarlas.
"Primero, reconstituimos su secuencia gradual de reacción de fijación de CO2, proporcionando los ingredientes para catalizar todas las reacciones deseadas y luego, siguiendo el flujo de CO2 descubrimos qué reacción clave particular era limitante de la velocidad", relata Erb. Esto resultó ser Metilsuccinil-CoA deshidrogenasa (Mcd), parte de una familia de enzimas implicadas en la respiración, la reacción metabólica en las células de los organismos para convertir los nutrientes como el carbono en unidades de energía.
"Para superar esta limitación, diseñamos el Mcd para usar el oxígeno como aceptor de electrones, para amplificar la función, pero esto no fue suficiente --describe Erb--. Tuvimos que reemplazar el diseño de la vía original con secuencias de reacción alternativas, utilizando más ingeniería enzimática para minimizar las reacciones secundarias de las enzimas indiscriminadas e introduciendo las enzimas de revisión para corregir la formación de metabolitos sin salida".
En apoyo de los esfuerzos del equipo de MPI, el Joint Genome Institute de Estados Unidos sintetizó cientos de variantes enzimáticas Enoyl-CoA Carboxilasa/Reductasa (ECR) a través de su Programa de Ciencia Comunitaria. Esto permitió que el equipo de MPI pusiera a cero ECR con la mayor actividad de fijación de CO2 para construir con éxito una vía de fijación artificial más eficaz de CO2 en un tubo de ensayo.
"Las ECR son enzimas sobrealimentadas que son capaces de fijar CO2 a una velocidad de casi 20 veces más rápida que la enzima fijadora de CO2 más extendida en la naturaleza, RuBisCo, que lidera el fuerte incremento involucrado en la fotosíntesis", explica Erb.
Este proceso químico aprovecha la luz solar para convertir el dióxido de carbono en azúcares que las células pueden emplear como energía junto con otros procesos naturales en el planeta y representa la transformación de unos 350 millones de toneladas de CO2 anualmente.