Durante la fotosíntesis, una enzima llamada Rubisco cataliza una reacción clave: la incorporación de dióxido de carbono en compuestos orgánicos para crear azúcares. Sin embargo, Rubisco, que se cree que es la enzima más abundante en la Tierra, es muy ineficiente en comparación con las otras enzimas involucradas en la fotosíntesis.
Los químicos del MIT ahora han demostrado que pueden mejorar en gran medida una versión de Rubisco que se encuentra en las bacterias de un entorno de bajo oxígeno. Utilizando un proceso conocido como evolución dirigida, identificaron mutaciones que podrían impulsar la eficiencia catalítica de Rubisco hasta en un 25 por ciento.
Los investigadores ahora planean aplicar su técnica a las formas de Rubisco que podrían usarse en plantas para ayudar a aumentar sus tasas de fotosíntesis, lo que podría mejorar los rendimientos de los cultivos.
“Creo que esta es una demostración convincente de una mejora exitosa de las propiedades enzimáticas de Rubisco, con muchas esperanzas de ingeniería de otras formas de Rubisco”, dice Matthew Shougs, profesor de química de la clase de 1942 en el MIT.
Los hombros y Robert Wilson, un científico investigador del Departamento de Química, son los autores principales del nuevo estudio, que aparece esta semana en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias. La estudiante graduada del MIT, Julie McDonald, es la autora principal del periódico.
Evolución de la eficiencia
Cuando las plantas o bacterias fotosintéticas absorben energía del sol, primero la convierten en moléculas de almacenamiento de energía como ATP. En la siguiente fase de la fotosíntesis, las células usan esa energía para transformar una molécula conocida como bisfosfato ribulosa en glucosa, lo que requiere varias reacciones adicionales. Rubisco cataliza la primera de esas reacciones, conocidas como carboxilación. Durante esa reacción, carbono de co2 se agrega al bisfosfato ribulosa.
En comparación con las otras enzimas involucradas en la fotosíntesis, Rubisco es muy lento, catalizando solo una a 10 reacciones por segundo. Además, Rubisco también puede interactuar con el oxígeno, lo que lleva a una reacción competitiva que incorpora oxígeno en lugar de carbono, un proceso que desperdicia parte de la energía absorbida por la luz solar.
“Para los ingenieros de proteínas, ese es un conjunto de problemas realmente atractivos porque esos rasgos parecen cosas que con suerte podrías mejorar haciendo cambios en la secuencia de aminoácidos de la enzima”, dice McDonald.
Investigaciones anteriores han llevado a una mejora en la estabilidad y solubilidad de Rubisco, lo que resultó en pequeñas ganancias en la eficiencia enzimática. La mayoría de esos estudios utilizaron la evolución dirigida, una técnica en la que una proteína natural se munca al azar y luego se detalla para la aparición de características nuevas y deseables.
Este proceso generalmente se realiza utilizando PCR propensa a errores, una técnica que primero genera mutaciones in vitro (fuera de la célula), que generalmente introduce solo una o dos mutaciones en el gen objetivo. En estudios anteriores sobre Rubisco, esta biblioteca de mutaciones se introdujo en bacterias que crecen a una velocidad en relación con la actividad de Rubisco. Las limitaciones en la PCR propensa a errores y en la eficiencia de la introducción de nuevos genes restringen el número total de mutaciones que se pueden generar y seleccionar utilizando este enfoque. Los pasos manuales de mutagénesis y selección también agregan más tiempo al proceso en múltiples rondas de evolución.
En cambio, el equipo del MIT utilizó una técnica de mutagénesis más nueva que el laboratorio de hombros desarrolló previamente, llamado Mutat7. Esta técnica permite a los investigadores realizar mutagénesis y detección en las células vivas, lo que acelera drásticamente el proceso. Su técnica también les permite mutar el gen objetivo a una velocidad más alta.
“Nuestra técnica de evolución dirigida continua le permite ver muchas más mutaciones en la enzima que en el pasado”, dice McDonald.
Mejor Rubisco
Para este estudio, los investigadores comenzaron con una versión de Rubisco, aislada de una familia de bacterias semi-eanerobias conocidas como Gallionellaceaeese es uno de los Rubisco más rápido que se encuentra en la naturaleza. Durante los experimentos de evolución dirigida, que se realizaron en E. colilos investigadores mantuvieron los microbios en un entorno con niveles atmosféricos de oxígeno, creando presión evolutiva para adaptarse al oxígeno.
Después de seis rondas de evolución dirigida, los investigadores identificaron tres mutaciones diferentes que mejoraron la resistencia de Rubisco al oxígeno. Cada una de estas mutaciones se encuentra cerca del sitio activo de la enzima (donde realiza carboxilación o oxigenación). Los investigadores creen que estas mutaciones mejoran la capacidad de la enzima para interactuar preferentemente con dióxido de carbono sobre oxígeno, lo que conduce a un aumento general de la eficiencia de la carboxilación.
“La pregunta subyacente aquí es: ¿puede alterar y mejorar las propiedades cinéticas de Rubisco para operar mejor en entornos donde desea que funcione mejor?” Dice los hombros. “Lo que cambió a través del proceso de evolución dirigido fue que a Rubisco comenzó a reaccionar con el oxígeno menos. Eso permite que este Rubisco funcione bien en un entorno rico en oxígeno, donde normalmente se distraería constantemente y reaccionaría con oxígeno, lo que no desea que haga”.
En el trabajo en curso, los investigadores están aplicando este enfoque a otras formas de Rubisco, incluido Rubisco de las plantas. Se cree que las plantas pierden alrededor del 30 por ciento de la energía de la luz solar que absorben a través de un proceso llamado fotorrespiración, que ocurre cuando Rubisco actúa sobre oxígeno en lugar de dióxido de carbono.
“Esto realmente abre la puerta a una gran investigación nueva y emocionante, y es un paso más allá de los tipos de ingeniería que han dominado la ingeniería de Rubisco en el pasado”, dice Wilson. “Hay beneficios definitivos para la productividad agrícola que podrían aprovecharse a través de un mejor Rubisco”.
La investigación fue financiada, en parte, por la National Science Foundation, los Institutos Nacionales de Salud, un Gran Desafío de Gran Desafío de Agua y Sistemas Alimentos Abdul Latif Jameel y una Beca de Sociedad de Familia Martin para la Sostenibilidad.
