La fotosintesi è il processo naturale che le piante e le alghe utilizzano per catturare la luce solare e fissare l'anidride carbonica in zuccheri ricchi di energia che alimentano la crescita, sviluppo, e nel caso delle colture, prodotto. Le alghe hanno sviluppato meccanismi specializzati di concentrazione dell'anidride carbonica (CCM) per fotosintetizzare in modo molto più efficiente rispetto alle piante. Questa settimana, nel diario Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , un team della Louisiana State University (LSU) e dell'Università di York riporta un passo inspiegabile da lungo tempo nel CCM delle alghe verdi, che è fondamentale per sviluppare un CCM funzionale nelle colture alimentari per aumentare la produttività.

"La maggior parte delle colture è afflitta dalla fotorespirazione, che si verifica quando Rubisco, l'enzima che guida la fotosintesi, non è in grado di distinguere tra anidride carbonica che sostiene la vita e molecole di ossigeno che sprecano grandi quantità di energia della pianta, " disse James Moroney, lo Streva Alumni Professor alla LSU e membro del Realizing Improved Photosynthetic Efficiency (RIPE). "In definitiva, il nostro obiettivo è progettare un CCM nelle colture per circondare Rubisco con più anidride carbonica, rendendolo più efficiente e meno probabile che afferri le molecole di ossigeno, un problema che si è dimostrato peggiorare con l'aumento delle temperature".

Guidato dall'Università dell'Illinois, RIPE è un progetto di ricerca internazionale che sta ingegnerizzando le colture per essere più produttive migliorando la fotosintesi con il supporto della Bill &Melinda Gates Foundation, la Fondazione degli Stati Uniti per la ricerca sull'alimentazione e l'agricoltura (FFAR), e il Dipartimento per lo sviluppo internazionale del governo del Regno Unito (DFID).

Considerando che l'anidride carbonica si diffonde attraverso le membrane cellulari con relativa facilità, il bicarbonato (HCO3-) ne diffonde circa 50, 000 volte più lentamente a causa della sua carica negativa. Le alghe verdi Chlamydomonas reinhardtii , soprannominato Clamy, trasporta il bicarbonato attraverso tre membrane cellulari nel compartimento che ospita Rubisco, chiamato pirenoide, dove il bicarbonato viene riconvertito in anidride carbonica e fissato in zucchero.

"Prima di adesso, non abbiamo capito come il bicarbonato abbia attraversato la terza soglia per entrare nel pirenoide, "ha detto Ananya Mukherjee, che ha condotto questo lavoro come studente laureato alla LSU prima di entrare a far parte dell'Università del Nebraska-Lincoln come ricercatore post-dottorato. "Per anni, abbiamo cercato di trovare il componente mancante, ma si scopre che ci sono tre proteine ​​di trasporto coinvolte in questo passaggio, che erano l'anello mancante nella nostra comprensione del CCM di Chlamydomonas reinhardtii ."

"Mentre sono note altre proteine ​​di trasporto, ipotizziamo che questi possano essere condivisi più facilmente con le colture perché Chlamy è più strettamente imparentato con le piante rispetto ad altre alghe fotosintetiche, come cianobatteri o diatomee, "ha detto Luke Mackinder, un docente a York che ha collaborato con il team RIPE su questo lavoro con il supporto del Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) e del Leverhulme Trust.

La creazione di un CCM funzionale nelle colture richiederà tre cose:uno scomparto per conservare Rubisco, trasportatori per portare il bicarbonato nel compartimento, e anidrasi carbonica per trasformare il bicarbonato in anidride carbonica.

In uno studio del 2018, I colleghi RIPE dell'Australian National University hanno dimostrato di poter aggiungere un compartimento chiamato carbossisoma, che è simile a un pirenoide, nelle colture. Ora questo studio completa l'elenco delle possibili proteine ​​di trasporto che potrebbero trasportare il bicarbonato dall'esterno della cellula a questa struttura carbossisoma nelle cellule fogliari delle colture.

"La nostra ricerca suggerisce che la creazione di un CCM funzionale nelle colture potrebbe aiutare le colture a conservare più acqua e potrebbe ridurre significativamente il processo di fotorespirazione nelle colture, che peggiora con l'aumento delle temperature, " Ha detto Moroney. "Lo sviluppo di colture resistenti al clima che possono fotosintetizzare in modo più efficiente sarà vitale per proteggere la nostra sicurezza alimentare".

Realizzare una maggiore efficienza fotosintetica (RIPE) è progettare colture alimentari di base per trasformare in modo più efficiente l'energia del sole in cibo per aumentare in modo sostenibile la produzione alimentare mondiale, con il sostegno della Fondazione Bill &Melinda Gates, la Fondazione degli Stati Uniti per la ricerca sull'alimentazione e l'agricoltura, e il Dipartimento per lo sviluppo internazionale del governo del Regno Unito.