Cómo los investigadores del IGI utilizan plantas para capturar y almacenar carbono, y por qué CRISPR es la clave
Recientemente, el IGI anunció un nuevo y ambicioso proyecto para potenciar la capacidad de las plantas y los suelos para capturar carbono de la atmósfera con el objetivo de utilizar genómico herramientas para ayudar a combatir el cambio climático. Una parte clave de este plan se basa en mejorar la fotosíntesis en las plantas de cultivo, por lo que queríamos profundizar en este tema. ¿Qué significa mejorar la fotosíntesis y por qué creemos que tenemos la capacidad de hacerlo ahora?
¿Cómo funciona la fotosíntesis?
La fotosíntesis es un proceso antiguo y una innovación ingeniosa. Al tomar dióxido de carbono y convertirlo en azúcar, los primeros unicelular los organismos pudieron convertir muy poco (energía luminosa y aire) en vida. Con el tiempo, la fotosíntesis llenó nuestra atmósfera con oxígeno y evolucionó microorganismos en plantas terrestres complejas: dos eventos cruciales que dieron forma al planeta en el que vivimos hoy.
Para profundizar en cómo funciona la fotosíntesis, iluminemos un poco una parte de la célula llamada cloroplasto. Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos son una “central eléctrica” de la célula vegetal, responsable de generar energía. Contienen el pigmento clorofila, que da a las plantas, algas y otros organismos fotosintéticos su característico tono verde.
La clorofila capta la energía luminosa del sol. Esto hace que sucedan dos cosas: 1) la liberación de oxígeno de las moléculas de agua en el aire que respiramos, y 2) la acumulación de energía que puede usarse para impulsar otras reacciones celulares. La reacción principal para la que se usa esta energía es en realidad hacer y almacenar más, energía a través de la fijación de carbono. En la fijación de carbono, las plantas toman dióxido de carbono de la atmósfera y lo utilizan para producir azúcar. Las plantas usan el azúcar como una forma de almacenar energía. ¡Piensa en el subidón de energía que puedes obtener al comer dulces! RuBisCO es el enzima responsable de la fijación de carbono y ha sido durante mucho tiempo el foco de la investigación de ingeniería de fotosíntesis. Puedes ver un descripción general de la fotosíntesis aquí o infórmate más en profundidad aquí.
¿Por qué Ingeniero Fotosíntesis?
Se están produciendo dos grandes cambios a la vez, con grandes implicaciones para nuestro sistema alimentario.
Primero, vivimos en un mundo en rápido crecimiento: la población mundial superó los ocho mil millones de personas en noviembre de 2022, y se espera que mil millones adicionales se unan a nosotros en los próximos 15 años. Con un mayor recuento de la población viene una mayor demanda de alimentos, lo que da lugar a un gran desafío.
En segundo lugar, los crecientes niveles de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero en la atmósfera están aumentando las temperaturas globales, causando estragos en los patrones climáticos, elevando el nivel del mar y amenazando el suministro mundial de alimentos.
La fotosíntesis de ingeniería puede ser parte de la solución para estos dos desafíos: mejorar la fotosíntesis podría hacer que las plantas crezcan más grandes, con mayor rendimiento, aumentando el suministro de alimentos, al tiempo que elimina más dióxido de carbono de la atmósfera, lo que ayuda a frenar o detener el calentamiento global. De hecho, el Intergovernmental Panel on Climate Change estima que el secuestro de carbono por la agricultura podría eliminar ~3.8 gigatoneladas de carbono de la atmósfera en un solo año, un peso equivalente a más de 30 millones de ballenas azules adultas.
"Creo que el cambio climático es una amenaza existencial, y si puedo marcar la diferencia en términos de combatirlo, quiero hacerlo", dice Krishna Niyogi, investigador líder en los esfuerzos de fotosíntesis de IGI y profesor de biología vegetal y microbiana en la UC. Berkeley.
¿Qué ha intentado la gente hasta ahora?
Imagine verter una bebida de una botella en una taza: ¿qué se interpone entre usted y un vaso lleno? El flujo de su bebida, ralentizado por el cuello de la botella, es cómo los investigadores ven las limitaciones en la fotosíntesis. Las enzimas son proteínas que aceleran las reacciones químicas. Las enzimas que hacen su trabajo obstruyen lentamente toda la reacción, frenando las enzimas que realizan el siguiente paso y ralentizando todo.
RuBisCO es la más notoria de estas enzimas y sus problemas son dobles: primero, es lento: hace su trabajo de fijar el dióxido de carbono unas 20 veces más lento que la enzima promedio. En segundo lugar, también puede cometer errores al tomar el tipo equivocado de molécula, lo que genera un subproducto tóxico que la célula tiene que gastar energía en limpiar. Por lo tanto, los científicos han intentado acelerar RuBisCO o hacerlo menos propenso a errores, pero ninguno de estos enfoques ha funcionado bien hasta ahora. Una estrategia diferente hecha por el laboratorio ortográfico en la Universidad de Illinois, la ingeniería para acelerar la limpieza del subproducto tóxico antes mencionado, es prometedora, y muestra aumentos en la biomasa vegetal entre el 19 y el 37 % en ensayos de campo de plantas.
Otro enfoque ha sido diseñar formas de suministrar más dióxido de carbono a RuBisCO. Este trabajo aún tiene que producir el aumento necesario en la fijación de carbono para la mejora de las plantas, pero la vía sigue abierta.
Otro enfoque más para la ingeniería de la fotosíntesis es agregar copias adicionales de enzimas para acelerar la fijación de carbono. Esto ha demostrado ser más complicado de lo que se pensaba inicialmente, y los resultados en el laboratorio no siempre se confirman con los resultados en invernaderos y ensayos de campo abierto.
CRISPR e ingeniería de fotosíntesis
Anteriormente, la ingeniería genética de la fotosíntesis implicaba mover genes de una especie de planta a otra, haciendo lo que conocemos como transgénicos o "u OGMs."
“La forma en que lo hicimos antes fue transgénica, donde tomamos los genes de la planta de laboratorio Arabidopsis y ponerlos en las plantas alimenticias que estábamos estudiando”, dice Niyogi, “pero todo el tiempo tuvimos en el fondo de nuestras mentes que podríamos ser capaces de usar edición del genoma CRISPR para editar la planta es dueño genes y lograr lo mismo”. Piense en este enfoque como desbloquear el potencial propio de una planta, dándole un empujón genético en la dirección correcta.
Este nuevo enfoque no transgénico es especialmente útil para obtener la aprobación reglamentaria para llevar las plantas modificadas genéticamente a un público más amplio, por ejemplo, para cultivos alimentarios.
La estrategia CRISPR de Niyogi está haciendo que una planta sea más ahorrativa con sus recursos: si una planta ahorra energía recortando procesos menos esenciales, tiene más energía para gastar en sacar dióxido de carbono de la atmósfera a través de la fotosíntesis. Por ejemplo, al igual que nosotros, las plantas pueden verse afectadas por recibir demasiada luz. Si bien nos quemamos con el sol por pasar demasiado tiempo al aire libre, las plantas experimentan un estrés similar por el exceso de luz, incluido el daño a ADN y maquinaria fotosintética.
La investigación anterior de Niyogi se centró en optimizar esta forma para que las plantas se recuperen y se preparen para la fotosíntesis más rápido. Con el edición de genes capacidades que ofrece CRISPR, es posible que ahora esto se pueda lograr sin depender de la ayuda genética externa.
“Ahí es donde realmente entra en juego el poder de las herramientas CRISPR”, explica Flora Wang, una estudiante de posgrado que trabaja en este proyecto. “Puedes crear plantas libres de transgenes que funcionen mucho mejor haciendo un cambio relativamente pequeño”.
Usando técnicas genómicas convencionales, el enfoque de Niyogi para acelerar la recuperación de la luz dio como resultado plantas un 15% más grandes, el mismo aumento porcentual en el suministro proyectado para satisfacer la demanda mundial de alimentos en el futuro. Con CRISPR, podría haber aún más espacio para crecer.
Buena caza de genes
Parafraseando un viejo adagio: “Para saber a dónde vas, debes saber de dónde vienes”. Esto refleja el principio rector detrás de la investigación de David Savage, investigador de IGI y profesor asociado en el Departamento de Biología Molecular y Celular. Savage está desarrollando un conjunto de herramientas para explorar la genética vegetal en preparación para la ingeniería CRISPR. Mientras que el enfoque de Niyogi para la ingeniería fotosintética se sumerge profundamente en los mecanismos conocidos, Savage está dando un paso atrás para ayudar a identificar genes adicionales que podrían producir mejoras en las plantas.
Una planta como el trigo tiene más de 120,000 XNUMX genes, ¡eso es más de cinco veces más genes que el genoma humano! Encontrar los genes que podrían resultar en una fotosíntesis mejorada es una tarea similar a encontrar la aguja metafórica en un pajar. David Ding, biólogo de sistemas en el laboratorio de Savage, comentó sobre este desafío: "El cuello de botella es comprender qué cambios genéticos te darán los rasgos correctos".
Para acelerar este proceso de descubrimiento, Savage ha innovado un enfoque amplio, estudiando miles de genes en paralelo en lugar de uno por uno. En lugar de usar plantas enteras, lo cual es costoso, laborioso y lento, los investigadores del laboratorio de Savage están usando CRISPR para detectar genes en células vegetales individuales. Miles de estas células individuales, y genes individuales, se pueden analizar al mismo tiempo, lo que acelera las búsquedas en el genoma.
"Si podemos observar el efecto de cambiar los genes antes de entrar en plantas completas", dice Ding, "potencialmente podemos examinar muchos, muchos más genes de lo que era posible anteriormente".
CRISPR más limpio, más rápido
Savage también está trabajando para mejorar el poder de edición de CRISPR en las plantas. Históricamente, el fitomejoramiento requería múltiples generaciones para asegurarse de que todas sus plantas tuvieran el rasgo, y la versión correspondiente de un gen, de interés. Debido a los grandes genomas de muchas plantas, ¡esto puede ser complicado! Por ejemplo, los humanos tienen dos copias de cada gen. ¡Pero el trigo harinero tiene seis copias de cada gen! Para obtener un nuevo rasgo de forma estable en el trigo, cada la copia debe ser correcta.
Con el mejoramiento convencional, esto toma años o décadas para lograrlo. Savage tiene como objetivo no solo implementar CRISPR para realizar ediciones específicas en el genoma de una planta, sino también mejorar su eficiencia de edición. El objetivo es hacer ediciones en todos copias de un gen simultáneamente, reduciendo drásticamente el tiempo necesario para llegar a la planta diseñada con éxito.
“Ya sea orgánico o no, todos nuestros alimentos están diseñados porque los criadores de plantas y miles de años de ingenieros humanos han desarrollado estas plantas, y CRISPR es solo el último paso en eso”, dice Savage. "Si entendemos lo suficiente sobre los aspectos más profundos de la biología de las plantas, podemos lograr esas importantes cualidades de las plantas a través de medios menos invasivos con CRISPR".
Fuera del laboratorio y en el campo
Si bien CRISPR ha permitido a los científicos hacer y responder preguntas a una velocidad más rápida que nunca, aún quedan algunos obstáculos en el camino hacia una fotosíntesis mejorada. Un desafío es la traducibilidad de la investigación entre especies de plantas.
“La gran diversidad de plantas hace que sea difícil trabajar con ellas”, dice Savage. "Uno de los desafíos será descubrir cómo tomar un avance y evaluar rápidamente si ese avance funcionará o no en una especie relacionada".
Muchos investigadores anticipan colocar plantas diseñadas con CRISPR en nuestras prácticas agrícolas industriales actuales, una forma mínimamente disruptiva de fijar más carbono.
Como dice Ding, "Podría ampliar esta tecnología produciendo muchas, muchas plantas que sean un 10 % más eficientes y devuelvan un 10 % más de carbono al suelo". La combinación de una fotosíntesis mejorada con prácticas agrícolas sostenibles no solo maximizaría la eliminación de carbono, sino que también regeneraría el suelo para uso futuro.
Hay un elemento humano en esta investigación más allá de los detalles técnicos: las plantas editadas con CRISPR deberán ser adoptadas por los agricultores y cultivadores para brindar sus beneficios a una escala que pueda tener el impacto necesario.
“Si comunica su ciencia, será de interés para los agricultores que esto es mucho mejor que los cultivos tradicionales con los que estamos trabajando”, dice Wang. Y, por supuesto, estos cultivos deben pasar de la granja a la mesa, y los consumidores también deben tener algo que decir. “Definitivamente hay mucho trabajo por hacer en la comunicación científica efectiva y hablar con el público”.
El objetivo es proporcionar un beneficio mutuo: los agricultores obtendrán mayores rendimientos de los cultivos, se conservarán las variedades de alimentos preferidas por los consumidores y, lo que es más importante, toda la humanidad se beneficiará de la reducción del carbono en la atmósfera.
