A fotossíntese é o processo subjacente a todo o crescimento das plantas. Os cientistas pretendem aumentar a fotossíntese para atender à crescente demanda global por alimentos, desenvolvendo sua principal enzima Rubisco. Agora, pesquisadores do Instituto de Bioquímica Max Planck conseguiram produzir uma planta funcional Rubisco em uma bactéria. Isso permite a engenharia genética da enzima. O estudo pode um dia levar a melhores rendimentos agrícolas e variedades de plantas com maior eficiência no uso da água ou maior resistência à temperatura. Os resultados foram publicados em Ciência .

Prevê-se que a população mundial ultrapasse 9 bilhões em 2050. Com mais bocas para alimentar, há uma necessidade premente de melhorar a produção de alimentos. Para atender à demanda global por alimentos, os cientistas pretendem aumentar a eficiência da fotossíntese e, portanto, a produtividade das culturas.

Aumentando a fotossíntese

A fotossíntese é o processo biológico fundamental que sustenta todo o crescimento das plantas e sustenta a vida na Terra. As plantas usam a energia da luz solar para converter dióxido de carbono (CO2) e água em açúcar e oxigênio (O2). A enzima crítica neste processo é Rubisco. Rubisco catalisa a primeira etapa na produção de carboidratos nas plantas, a fixação de CO2 da atmosfera. Ao fazer isso, as plantas utilizam CO2 para construir biomassa e produzir a energia necessária para o crescimento. Contudo, Rubisco é uma enzima ineficiente, pois captura o CO2 lentamente. As reações de competição com O2 prejudicam ainda mais a eficiência catalítica da Rubisco. Por estas razões, Rubisco muitas vezes limita a taxa de fotossíntese e, em última análise, o crescimento da planta, tornando a Rubisco um alvo quente para a engenharia genética.

Engenharia da planta Rubisco, e fotossíntese, seria aumentado pela expressão funcional da enzima em hospedeiros alternativos. Até aqui, Contudo, os cientistas não conseguiram produzir uma forma enzimaticamente ativa da planta Rubisco em um hospedeiro bacteriano - uma meta que tem sido buscada por muitas décadas. Uma equipe liderada por Manajit Hayer-Hartl, chefe do grupo de pesquisa "Dobramento de Proteínas Assistido por Chaperonina", agora identificou os requisitos para expressar e montar a planta Rubisco em uma bactéria. Espera-se que suas descobertas acelerem muito os esforços para melhorar a fotossíntese por meio da engenharia da Rubisco.

A linha de montagem Rubisco

A enzima Rubisco consiste em oito subunidades grandes e oito pequenas. O dobramento de proteínas das subunidades grandes é assistido por chaperoninas específicas, gaiolas dobráveis ​​macromoleculares, em que as proteínas sintetizadas recentemente podem assumir sua conformação funcional adequada. Depois de dobrar, várias proteínas auxiliares adicionais (chaperonas) auxiliam na montagem adequada das subunidades no grande complexo enzimático.

Os pesquisadores geraram Rubisco vegetal funcional em um hospedeiro bacteriano, expressando simultaneamente chaperones vegetais e Rubisco nas mesmas células. Isso não apenas permite que os cientistas entendam o complexo caminho de montagem da Rubisco, mas para modificar o gene Rubisco a fim de melhorar as propriedades de Rubisco. Depois de obter uma variante do Rubisco com uma característica desejada, eles podem inserir o gene modificado de volta nas células da planta. Este é um passo fundamental para melhorar a fotossíntese por meio da engenharia Rubisco. "O sistema de expressão bacteriana se assemelha a uma linha de montagem de carros. Enquanto anteriormente todas as variantes otimizadas de Rubisco tinham que ser meticulosamente expressas em uma planta transgênica, que leva um ano ou mais para gerar - como construir um carro manualmente - agora podemos fazer centenas ou milhares de variantes do Rubisco em dias ou semanas. É como construir carros em uma linha de montagem automatizada ", explica Hayer-Hartl.

Variantes Rubisco Superiores

A engenharia genética facilita os esforços para gerar variantes do Rubisco com propriedades funcionais aprimoradas. Isso pode não apenas levar ao aumento tão necessário na produtividade das safras, mas também variedades de plantas com maior eficiência no uso da água ou maior resistência à temperatura - propriedades que são de especial importância à luz do aquecimento global e da crescente escassez de água.