Um novo estudo fornece uma estrutura para impulsionar o crescimento das culturas, incorporando uma estratégia adotada a partir de uma espécie de algas verdes de rápido crescimento. As algas, conhecidas como Chlamydomonas reinhardtii, contêm uma organela chamada pirenóide que acelera a conversão do carbono, que as algas absorvem do ar, em uma forma que os organismos podem usar para crescer. Em um estudo publicado em 19 de maio de 2022 na revista Nature Plants , pesquisadores da Universidade de Princeton e da Universidade Northwestern usaram modelagem molecular para identificar as características do pirenóide que são mais críticas para melhorar a fixação de carbono e, em seguida, mapearam como essa funcionalidade poderia ser projetada em plantas cultivadas.
Este não é apenas um exercício acadêmico. Para muitas pessoas hoje, a maior parte das calorias dos alimentos vem de plantas cultivadas domesticadas há milhares de anos. Desde então, os avanços na irrigação, fertilização, reprodução e industrialização da agricultura ajudaram a alimentar a crescente população humana. No entanto, até agora, apenas ganhos incrementais podem ser extraídos dessas tecnologias. Enquanto isso, a insegurança alimentar, já em níveis de crise para grande parte da população mundial, deverá piorar devido às mudanças climáticas.

Novas tecnologias podem reverter essa tendência. Muitos cientistas acreditam que o pirenóide de algas oferece exatamente essa inovação. Se os cientistas puderem projetar uma capacidade semelhante a um pirenóide de concentrar carbono em plantas como trigo e arroz, essas importantes fontes de alimentos poderão experimentar um grande impulso em suas taxas de crescimento.

"Este trabalho fornece orientações claras para a engenharia de um mecanismo de concentração de carbono em plantas, incluindo as principais culturas", disse Martin Jonikas, autor sênior do estudo, professor associado de biologia molecular em Princeton e pesquisador do Howard Hughes Medical Institute. .

Chlamydomonas reinhardtii consegue fixação de carbono devido à ação da enzima Rubisco, que catalisa a conversão de CO₂ em carbono orgânico.

Terrestrial plants also use Rubisco to accomplish carbon fixation, but in most plants, Rubisco only works at about a third of its theoretical capacity because it cannot access enough CO₂ to operate faster. Much effort has therefore gone into studying the carbon-concentrating mechanisms, particularly those found in cyanobacteria and in Chlamydomonas, with the hope of eventually providing this function for terrestrial crop plants. But there's a problem:

"While the structure of the pyrenoid and many of its components are known, key biophysical questions about its mechanism remain unanswered, due to a lack of quantitative and systematic analysis," said senior co-author Ned Wingreen, Princeton's Howard A. Prior Professor of the Life Sciences and professor of molecular biology and the Lewis-Sigler Institute of Integrative Genomics.  

To gain insights about how the algal pyrenoid carbon-concentrating mechanism works, Princeton graduate student Chenyi Fei collaborated with undergraduate Alexandra Wilson, Class of 2020, to develop a computational model of the pyrenoid with the help of co-author Niall Mangan, assistant professor of engineering sciences and applied mathematics at Northwestern University.

Prior work has shown that the Chlamydomonas reinhardtii pyrenoid consists of a spherical Rubisco matrix traversed by a vasculature of membrane-enclosed projections called pyrenoid tubules, and surrounded by a sheath made of starch. It's thought that CO₂ taken up from the environment is converted into bicarbonate and then transported into the tubules, where it then enters the pyrenoid. An enzyme present in the tubules converts bicarbonate back into CO₂ , which then diffuses into the Rubisco matrix. But is this picture complete?

"Our model demonstrates that this conventional picture of the pyrenoid carbon-concentrating mechanism can't work because CO₂ would just rapidly leak back out of the pyrenoid before Rubisco could act on it," Wingreen said. "Instead, the starch shell around the pyrenoid must act as a diffusion barrier to trap CO₂ in the pyrenoid with Rubisco."

In addition identifying this diffusion barrier, the researchers' model pinpointed other proteins and structural features needed for CO₂ concentração. The model also identified non-necessary components, which should make engineering pyrenoid functionality into plants a simpler task. This simplified model of the pyrenoid, the researchers showed, behaves similarly to the actual organelle.

"The new model developed by Fei, Wilson, and colleagues is a game changer," said Alistair McCormick, an expert in Plant Molecular Physiology and Synthetic Biology at the University of Edinburgh, who has worked with the Princeton scientists but was not involved in this study.

"One of the key findings of this paper, which differentiates the Chlamydomonas carbon-concentrating mechanism from those found in cyanobacteria, is that introducing active bicarbonate transporters may not be necessary," McCormick said. "This is important because active bicarbonate transport has been a key challenge hindering progress in the engineering of biophysical carbon-concentrating mechanisms."