La fotosintesi è il processo alla base di tutta la crescita delle piante. Gli scienziati mirano a potenziare la fotosintesi per soddisfare la crescente domanda globale di cibo ingegnerizzando il suo enzima chiave Rubisco. Ora, i ricercatori dell'Istituto di biochimica Max Planck sono riusciti a produrre una pianta funzionale Rubisco in un batterio. Ciò consente l'ingegneria genetica dell'enzima. Lo studio potrebbe un giorno portare a migliori raccolti e varietà di piante con una maggiore efficienza nell'uso dell'acqua o una maggiore resistenza alla temperatura. I risultati sono stati pubblicati in Scienza .

Si prevede che la popolazione mondiale supererà i 9 miliardi nel 2050. Con più bocche da sfamare, c'è un urgente bisogno di una migliore produzione di cibo. Per soddisfare la domanda globale di cibo, gli scienziati mirano ad aumentare l'efficienza della fotosintesi e quindi la produttività delle colture.

Aumentare la fotosintesi

La fotosintesi è il processo biologico fondamentale che sta alla base di tutta la crescita delle piante e sostiene la vita sulla Terra. Le piante utilizzano l'energia della luce solare per convertire l'anidride carbonica (CO2) e l'acqua in zucchero e ossigeno (O2). L'enzima critico in questo processo è Rubisco. Rubisco catalizza il primo passo nella produzione di carboidrati nelle piante, la fissazione della CO2 dall'atmosfera. Così facendo, gli impianti utilizzano la CO2 per costruire biomassa e produrre l'energia necessaria per la crescita. Però, Rubisco è un enzima inefficiente poiché cattura la CO2 lentamente. Reazioni concorrenti con O2 compromettono ulteriormente l'efficienza catalitica di Rubisco. Per queste ragioni, Rubisco spesso limita il tasso di fotosintesi e infine la crescita delle piante, rendendo Rubisco un obiettivo caldo per l'ingegneria genetica.

Ingegneria dell'impianto Rubisco, e fotosintesi, sarebbe potenziato dall'espressione funzionale dell'enzima in ospiti alternativi. Finora, però, gli scienziati non sono riusciti a produrre una forma enzimaticamente attiva di pianta Rubisco in un ospite batterico, un obiettivo che è stato perseguito per molti decenni. Un team guidato da Manajit Hayer-Hartl, capo del gruppo di ricerca "Chaperonin-assisted Protein Folding", ha ora individuato i requisiti per l'estrazione e l'assemblaggio della pianta Rubisco in un batterio. Si prevede che i loro risultati accelereranno notevolmente gli sforzi per migliorare la fotosintesi attraverso l'ingegneria di Rubisco.

La catena di montaggio Rubisco

L'enzima di Rubisco è costituito da otto subunità grandi e otto piccole. Il ripiegamento proteico delle grandi subunità è assistito da specifiche chaperonine, gabbie pieghevoli macromolecolari, in cui le proteine ​​appena sintetizzate possono assumere la loro corretta conformazione funzionale. Dopo aver piegato, più proteine ​​ausiliarie aggiuntive (chaperon) aiutano nel corretto assemblaggio delle subunità nel grande complesso enzimatico.

I ricercatori hanno generato una pianta funzionale Rubisco in un ospite batterico esprimendo simultaneamente chaperon vegetali e Rubisco nelle stesse cellule. Ciò non solo consente agli scienziati di comprendere il complesso percorso di assemblaggio di Rubisco, ma per modificare il gene Rubisco al fine di migliorare le proprietà di Rubisco. Una volta ottenuta una variante di Rubisco con un tratto desiderato, possono reinserire il gene modificato nelle cellule vegetali. Questo è un passo fondamentale verso il miglioramento della fotosintesi attraverso l'ingegneria Rubisco. "Il sistema di espressione batterica assomiglia a una catena di montaggio per automobili. Mentre in precedenza ogni variante ottimizzata di Rubisco doveva essere accuratamente espressa in una pianta transgenica, che richiede un anno o più per generare - come costruire un'auto a mano - ora possiamo realizzare centinaia o migliaia di varianti di Rubisco in giorni o settimane. È come costruire automobili in una catena di montaggio automatizzata", spiega Hayer-Hartl.

Varianti di Rubisco Superior

L'ingegneria genetica facilita gli sforzi per generare varianti di Rubisco con proprietà funzionali migliorate. Ciò potrebbe non solo portare al tanto necessario aumento dei raccolti, ma anche varietà vegetali con maggiore efficienza nell'uso dell'acqua o maggiore resistenza alla temperatura - proprietà che sono di particolare importanza alla luce del riscaldamento globale e della crescente scarsità d'acqua.