Un nuovo studio fornisce un quadro per aumentare la crescita delle colture incorporando una strategia adottata da una specie di alghe verdi a crescita rapida. Le alghe, note come Chlamydomonas reinhardtii, contengono un organello chiamato pirenoide che accelera la conversione del carbonio, che le alghe assorbono dall'aria, in una forma che gli organismi possono utilizzare per la crescita. In uno studio pubblicato il 19 maggio 2022 sulla rivista Nature Plants , i ricercatori della Princeton University e della Northwestern University hanno utilizzato la modellazione molecolare per identificare le caratteristiche del pirenoide che sono più critiche per migliorare la fissazione del carbonio, quindi hanno mappato come questa funzionalità potrebbe essere ingegnerizzata nelle piante coltivate.

Questo non è solo un esercizio accademico. Per molte persone oggi, la maggior parte delle calorie alimentari proviene da piante coltivate addomesticate migliaia di anni fa. Da allora, i progressi nell'irrigazione, nella fertilizzazione, nell'allevamento e nell'industrializzazione dell'agricoltura hanno contribuito a nutrire la fiorente popolazione umana. Tuttavia, ormai da queste tecnologie possono essere estratti solo guadagni incrementali. Nel frattempo, si prevede che l'insicurezza alimentare, già a livelli di crisi per gran parte della popolazione mondiale, peggiorerà a causa del cambiamento climatico.

La nuova tecnologia potrebbe invertire questa tendenza. Molti scienziati ritengono che il pirenoide algale offra proprio una tale innovazione. Se gli scienziati riuscissero a progettare una capacità simile a un pirenoide di concentrare il carbonio in piante come il grano e il riso, queste importanti fonti di cibo potrebbero subire un notevole impulso ai loro tassi di crescita.

"Questo lavoro fornisce una guida chiara per la progettazione di un meccanismo di concentrazione del carbonio nelle piante, comprese le colture principali", ha affermato Martin Jonikas, autore senior dello studio, professore associato di biologia molecolare a Princeton e ricercatore presso l'Howard Hughes Medical Institute .

Chlamydomonas reinhardtii raggiunge la fissazione del carbonio grazie all'azione dell'enzima Rubisco, che catalizza la conversione di CO₂ into organic carbon.

Terrestrial plants also use Rubisco to accomplish carbon fixation, but in most plants, Rubisco only works at about a third of its theoretical capacity because it cannot access enough CO₂ to operate faster. Much effort has therefore gone into studying the carbon-concentrating mechanisms, particularly those found in cyanobacteria and in Chlamydomonas, with the hope of eventually providing this function for terrestrial crop plants. But there's a problem:

"While the structure of the pyrenoid and many of its components are known, key biophysical questions about its mechanism remain unanswered, due to a lack of quantitative and systematic analysis," said senior co-author Ned Wingreen, Princeton's Howard A. Prior Professor of the Life Sciences and professor of molecular biology and the Lewis-Sigler Institute of Integrative Genomics.

To gain insights about how the algal pyrenoid carbon-concentrating mechanism works, Princeton graduate student Chenyi Fei collaborated with undergraduate Alexandra Wilson, Class of 2020, to develop a computational model of the pyrenoid with the help of co-author Niall Mangan, assistant professor of engineering sciences and applied mathematics at Northwestern University.

Prior work has shown that the Chlamydomonas reinhardtii pyrenoid consists of a spherical Rubisco matrix traversed by a vasculature of membrane-enclosed projections called pyrenoid tubules, and surrounded by a sheath made of starch. It's thought that CO₂ taken up from the environment is converted into bicarbonate and then transported into the tubules, where it then enters the pyrenoid. An enzyme present in the tubules converts bicarbonate back into CO₂ , which then diffuses into the Rubisco matrix. But is this picture complete?

"Our model demonstrates that this conventional picture of the pyrenoid carbon-concentrating mechanism can't work because CO₂ would just rapidly leak back out of the pyrenoid before Rubisco could act on it," Wingreen said. "Instead, the starch shell around the pyrenoid must act as a diffusion barrier to trap CO₂ in the pyrenoid with Rubisco."

In addition identifying this diffusion barrier, the researchers' model pinpointed other proteins and structural features needed for CO₂ concentration. The model also identified non-necessary components, which should make engineering pyrenoid functionality into plants a simpler task. This simplified model of the pyrenoid, the researchers showed, behaves similarly to the actual organelle.

"The new model developed by Fei, Wilson, and colleagues is a game changer," said Alistair McCormick, an expert in Plant Molecular Physiology and Synthetic Biology at the University of Edinburgh, who has worked with the Princeton scientists but was not involved in this study.

"One of the key findings of this paper, which differentiates the Chlamydomonas carbon-concentrating mechanism from those found in cyanobacteria, is that introducing active bicarbonate transporters may not be necessary," McCormick said. "This is important because active bicarbonate transport has been a key challenge hindering progress in the engineering of biophysical carbon-concentrating mechanisms."