Científicas rosarinas hallaron el truco molecular que hace más eficiente al maíz y al sorgo

Un equipo internacional liderado por dos investigadoras rosarinas descubrió los cambios estructurales que permiten a una enzima clave participar de la fotosíntesis C4, el mecanismo que vuelve más eficiente la captación de dióxido de carbono en cultivos como el maíz, el sorgo y la caña de azúcar. El hallazgo, publicado en dos revistas científicas, podría servir en el futuro para desarrollar plantas más resistentes a condiciones ambientales adversas.

Los resultados aparecieron en dos artículos complementarios en Molecular Biology and Evolution y The Plant Journal, este último con el trabajo en tapa. La investigación fue liderada por Clarisa Alvarez, doctora en Ciencias Biológicas e investigadora del Conicet en el Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos (Cefobi), que depende de la Universidad Nacional de Rosario (UNR), y por Verónica Maurino, doctora en Bioquímica que dirige el Departamento de Fisiología Molecular de Plantas de la Universidad de Bonn, en Alemania.

El metabolismo C4 es un truco molecular que la evolución desarrolló en varias plantas para hacer más eficiente la fotosíntesis, sobre todo en condiciones de alta temperatura, mucha radiación y poca agua. El equipo se concentró en una pieza central de ese engranaje: la concentración de dióxido de carbono alrededor de la RuBisCO, la enzima de los cloroplastos que fija ese gas de la atmósfera a un azúcar.

“La RuBisCO es clave en la fotosíntesis porque permite a las plantas incorporar el dióxido de carbono y transformarlo en compuestos orgánicos necesarios para crecer”, explicó Alvarez, que también codirige la Escuela de Biotecnología de la Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas de la UNR y es prosecretaria de la Asociación Argentina de Cristalografía.

La enzima que evita que la RuBisCO se “distraiga”

Para que la RuBisCO cumpla su función sin desviarse, otra enzima llamada NADP-ME se encarga de concentrar el dióxido de carbono a su alrededor a partir de la degradación de un azúcar. Esa concentración es fundamental porque evita que la RuBisCO se “distraiga” con el oxígeno en lugar de fijar el dióxido de carbono.

El interrogante que guió al equipo fue por qué la variante de NADP-ME que participa de la fotosíntesis C4 —conocida como C4-NADP-ME— puede integrarse a ese engranaje, mientras que sus “hermanas” cumplen funciones metabólicas completamente distintas. La respuesta estaba en diferencias mínimas de estructura.

Alvarez lo graficó con una analogía deportiva: “Sería como comparar una pelota de fútbol con una de básquet: ambas son pelotas y tienen características generales muy similares, pero pequeñas diferencias en su estructura hacen que estén especialmente adaptadas a funciones distintas. No sería lo mismo pedirle a Messi que juegue al fútbol con una pelota de básquet o a Ginóbili que intente encestar con una de fútbol”.

Cristalografía y un acelerador de partículas en Hamburgo

Para dilucidar esas diferencias, las investigadoras recurrieron a la cristalografía, un método que “congela” la estructura de una proteína y la retrata a altísima resolución, permitiendo ver dónde están ubicados sus átomos. “Eso da la ventaja de poder comparar esas ‘fotos’ entre distintas proteínas que se parecen”, señaló Sebastián Klinke, doctor en Química Biológica, investigador del Conicet en la Fundación Instituto Leloir y expresidente de la Asociación Argentina de Cristalografía.

Klinke interpretó computacionalmente la información de los ensayos cristalográficos realizados en la estación sincrotrón de Hamburgo, Alemania, un acelerador de partículas de más de dos kilómetros de circunferencia de los que existen apenas un puñado en el mundo. Mediante difracción de rayos X, el equipo reconstruyó la estructura tridimensional de la proteína cristalizada. También se hicieron análisis bioquímicos, de microscopía electrónica y simulaciones computacionales.

Los análisis revelaron que cambios muy pequeños en determinados aminoácidos de las regiones terminales de la enzima estabilizan arquitecturas diferentes: las isoformas que no participan de la fotosíntesis se arman con dos subunidades ensambladas, mientras que la C4-NADP-ME integra cuatro. “Esa organización proporciona el contexto estructural para adquirir propiedades regulatorias características de la enzima C4-EM-NADP con roles fotosintéticos”, resumió Alvarez.

El equipo también pudo dilucidar la naturaleza singular de la interacción de las distintas variantes de la enzima con las moléculas sobre las que actúan, lo que se correlaciona con su diferente capacidad de acelerar reacciones, explicó Klinke, que además integra la Plataforma Argentina de Biología Estructural y Metabolómica (Plabem), con sedes en el Leloir y en el Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR).

Qué podría habilitar este hallazgo

El trabajo muestra cómo pequeños cambios en una proteína pueden contribuir a adquirir características especializadas. Alvarez remarcó que la fotosíntesis C4 evolucionó de manera independiente al menos 65 veces en 19 linajes de plantas, lo que evidencia la fuerte ventaja adaptativa que confiere este mecanismo.

“Si bien nuestros hallazgos no implican que podamos convertir inmediatamente una planta C3 como el trigo, el arroz o el tomate en una planta C4 mediante la introducción de estos cambios, identificar las reglas moleculares que determinan la adquisición y optimización de estas funciones permitiría diseñar estrategias para mejorar componentes de la fotosíntesis y aumentar la tolerancia de los cultivos frente a condiciones ambientales adversas”, concluyó la investigadora.

La científica subrayó que ese objetivo cobra especial relevancia en un contexto de cambio climático, con aumentos de temperatura y eventos de estrés ambiental cada vez más frecuentes e intensos. En el mismo sentido, Alvarez había señalado que comprender estos determinantes moleculares no solo permite reconstruir cómo se especializaron estas enzimas durante la evolución, sino que abre perspectivas para modificar mediante ingeniería y edición génica enzimas de plantas con metabolismo C3, menos eficientes en el uso del dióxido de carbono, e intentar incorporar algunas de las ventajas de las plantas C4.

Quiénes participaron de la investigación

Además de Alvarez y Maurino, del estudio formaron parte Mariana Saigo y María Fabiana Drincovich, del Cefobi de Rosario, que venían trabajando en el proyecto desde un enfoque bioquímico y fisiológico. También participaron Fernando Zamarreño y Marcelo Costabel, del Instituto de Física del Sur (IFISUR), dependiente del Conicet y de la Universidad Nacional del Sur (UNS), en Bahía Blanca, que realizaron simulaciones de los estados activos de la enzima y complementaron las técnicas experimentales de laboratorio.

El artículo publicado en Molecular Biology and Evolution también lleva las firmas de Jonas Böhm, Simone Willms, Oja Ferrao, Martin Buitrago-Arango y Meike Hüdig, de la Universidad de Bonn; Gereon Poschmann, Nazanin Fazelnia y Luitgard Nagel-Steger, de la Universidad de Düsseldorf; Athina Drakonaki y Christos Gatsogiannis, de la Universidad de Münster; y Marcos Tronconi, del Cefobi. En tanto, el publicado en The Plant Journal sumó a Jonas Böhm y Simone Willms, de Bonn; Niels Schneberger, de la Universidad de Saint Andrews, en Escocia; y Rosario Lunari, del Cefobi.