A fotossíntese é o processo natural que as plantas e algas utilizam para capturar a luz solar e fixar o dióxido de carbono em açúcares ricos em energia que alimentam o crescimento, desenvolvimento, e no caso de safras, produção. As algas desenvolveram mecanismos especializados de concentração de dióxido de carbono (CCM) para fotossintetizar com muito mais eficiência do que as plantas. Esta semana, no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences , uma equipe da Louisiana State University (LSU) e da University of York relata uma etapa há muito tempo inexplicável no CCM de algas verdes - que é a chave para desenvolver um CCM funcional em culturas alimentares para aumentar a produtividade.

"A maioria das colheitas é atormentada por fotorrespiração, que ocorre quando Rubisco - a enzima que impulsiona a fotossíntese - não consegue diferenciar entre o dióxido de carbono que sustenta a vida e as moléculas de oxigênio que desperdiçam grandes quantidades de energia da planta, "disse James Moroney, o Streva Alumni Professor na LSU e membro do Realizing Aumentada da Eficiência Fotossintética (RIPE). "Em última análise, nosso objetivo é projetar um CCM em plantações para cercar Rubisco com mais dióxido de carbono, tornando-o mais eficiente e menos provável de agarrar moléculas de oxigênio - um problema que piora com o aumento da temperatura. "

Liderado pela Universidade de Illinois, RIPE é um projeto de pesquisa internacional que está desenvolvendo plantações para serem mais produtivas, melhorando a fotossíntese, com o apoio da Fundação Bill &Melinda Gates, a Fundação dos EUA para Pesquisa em Alimentos e Agricultura (FFAR), e o Departamento para o Desenvolvimento Internacional do Governo do Reino Unido (DFID).

Considerando que o dióxido de carbono se difunde através das membranas celulares com relativa facilidade, bicarbonato (HCO3-) difunde cerca de 50, 000 vezes mais devagar devido à sua carga negativa. As algas verdes Chlamydomonas reinhardtii , apelidado de Chlamy, transporta bicarbonato através de três membranas celulares para o compartimento que abriga Rubisco, chamado de pirenóide, onde o bicarbonato é convertido de volta em dióxido de carbono e fixado em açúcar.

"Até agora, não entendemos como o bicarbonato cruzou o terceiro limiar para entrar no pirenóide, "disse Ananya Mukherjee, que liderou este trabalho como estudante de graduação na LSU antes de ingressar na Universidade de Nebraska-Lincoln como pesquisador de pós-doutorado. "Por anos, tentamos encontrar o componente que faltava, mas acontece que há três proteínas de transporte envolvidas nesta etapa - que eram o elo que faltava em nossa compreensão do CCM de Chlamydomonas reinhardtii . "

"Embora outras proteínas de transporte sejam conhecidas, especulamos que eles poderiam ser compartilhados com as plantações mais facilmente porque a clamia está mais intimamente relacionada às plantas do que outras algas fotossintéticas, como cianobactérias ou diatomáceas, "disse Luke Mackinder, um palestrante em York que colaborou com a equipe RIPE neste trabalho com o apoio do Conselho de Pesquisa em Biotecnologia e Ciências Biológicas (BBSRC) e o Leverhulme Trust.

A criação de um CCM funcional em plantações exigirá três coisas:um compartimento para armazenar Rubisco, transportadores para trazer bicarbonato para o compartimento, e a anidrase carbônica para transformar o bicarbonato em dióxido de carbono.

Em um estudo de 2018, Colegas do RIPE na The Australian National University demonstraram que podiam adicionar um compartimento chamado carboxysome, que é semelhante a um pirenóide, nas colheitas. Agora, este estudo completa a lista de possíveis proteínas de transporte que poderiam transportar o bicarbonato de fora da célula para esta estrutura de carboxissomo nas células das folhas das plantações.

"Nossa pesquisa sugere que a criação de um CCM funcional nas plantações pode ajudar as plantações a conservar mais água e pode reduzir significativamente o processo de fotorrespiração nas plantações, que sobrecarrega a energia - que piora à medida que as temperaturas sobem, "Moroney disse." O desenvolvimento de safras resilientes ao clima que podem fotossintetizar de forma mais eficiente será vital para proteger nossa segurança alimentar. "

Perceber o aumento da eficiência fotossintética (RIPE) é a engenharia de safras de alimentos básicos para transformar de forma mais eficiente a energia do sol em alimentos para aumentar de forma sustentável a produção mundial de alimentos, com o apoio da Fundação Bill &Melinda Gates, a Fundação dos EUA para Pesquisa em Alimentos e Agricultura, e o Departamento de Desenvolvimento Internacional do Governo do Reino Unido.