Um novo estudo fornece uma estrutura para impulsionar o crescimento das culturas, incorporando uma estratanãgia adotada a partir de uma espanãcie de algas verdes de rápido crescimento. As algas, conhecidas como Chlamydomonas reinhardtii, contem uma organela chamada pirenoide que acelera a conversão do carbono, que as algas absorvem do ar, em uma forma que os organismos podem usar para crescer. Em um estudo publicado em 19 de maio de 2022 na revista Nature Plants , pesquisadores da Universidade de Princeton e da Northwestern University usaram modelagem molecular para identificar as caracteri­sticas do pirena³ide que são mais cra­ticas para melhorar a fixação de carbono e, em seguida, mapearam como essa funcionalidade poderia ser projetada em plantas de colheita.

Este não éapenas um exerca­cio acadaªmico. Para muitas pessoas hoje, a maior parte das calorias dos alimentos vem de plantas cultivadas domesticadas hámilhares de anos. Desde então, os avanços na irrigação, fertilização, reprodução e industrialização da agricultura ajudaram a alimentar a crescente população humana. No entanto, atéagora, apenas ganhos incrementais podem ser extraa­dos dessas tecnologias. Enquanto isso, a insegurança alimentar , já em na­veis de crise para grande parte da população mundial, devera¡ piorar devido a smudanças climáticas.

Novas tecnologias podem reverter essa tendaªncia. Muitos cientistas acreditam que o pirena³ide de algas oferece exatamente essa inovação. Se os cientistas puderem projetar uma capacidade semelhante a um pirena³ide de concentrar carbono em plantas como trigo e arroz, essas importantes fontes de alimentos podera£o experimentar um grande impulso em suas taxas de crescimento.

"Este trabalho fornece orientações claras para a engenharia de um mecanismo de concentração de carbono em plantas, incluindo as principais culturas", disse Martin Jonikas, autor saªnior do estudo, professor associado de biologia molecular em Princeton e pesquisador do Howard Hughes Medical Institute. .

Chlamydomonas reinhardtii consegue a fixação de carbono devido a  ação da enzima Rubisco, que catalisa a conversão de CO 2 em carbono orga¢nico.

As plantas terrestres também usam a Rubisco para realizar a fixação de carbono, mas na maioria das plantas, a Rubisco são funciona com cerca de um tera§o de sua capacidade tea³rica porque não consegue acessar CO 2 suficiente para operar mais rapidamente. Muito esfora§o foi, portanto, para estudar os mecanismos de concentração de carbono, particularmente aqueles encontrados em cianobactanãrias e em Chlamydomonas, com a esperana§a de eventualmente fornecer essa função para plantas cultivadas terrestres . Mas háum problema:

"Embora a estrutura do pirena³ide e muitos de seus componentes sejam conhecidos, as principais questões biofa­sicas sobre seu mecanismo permanecem sem resposta, devido a  falta de análise quantitativa e sistema¡tica", disse o coautor saªnior Ned Wingreen, Howard A. Professor anterior de Princeton. as Ciências da Vida e professor de biologia molecular e do Instituto Lewis-Sigler de Gena´mica Integrativa.  

Para obter informações sobre como funciona o mecanismo de concentração de carbono do pirena³ide das algas, o estudante de pós-graduação de Princeton Chenyi Fei colaborou com a graduanda Alexandra Wilson, turma de 2020, para desenvolver um modelo computacional do pirena³ide com a ajuda do coautor Niall Mangan, professor assistente de ciências da engenharia e matemática aplicada na Northwestern University.

Trabalhos anteriores mostraram que o pirenoide de Chlamydomonas reinhardtii consiste em uma matriz esfanãrica de Rubisco atravessada por uma vasculatura de projeções envoltas por membrana chamadas taºbulos pirenoides e cercadas por uma bainha feita de amido. Pensa-se que o CO 2 retirado do ambiente éconvertido em bicarbonato e depois transportado para os taºbulos, onde entra no pirenoide. Uma enzima presente nos taºbulos converte o bicarbonato novamente em CO 2 , que então se difunde na matriz da Rubisco. Mas esta imagem estãocompleta?

"Nosso modelo demonstra que essa imagem convencional do mecanismo de concentração de carbono do pirena³ide não pode funcionar porque o CO 2 vazaria rapidamente de volta do pirena³ide antes que a Rubisco pudesse agir sobre ele", disse Wingreen. "Em vez disso, a casca de amido ao redor do pirena³ide deve atuar como uma barreira de difusão para prender o CO 2 no pirena³ide com Rubisco."

Além de identificar essa barreira de difusão, o modelo dos pesquisadores identificou outras protea­nas e caracteri­sticas estruturais necessa¡rias para a concentração de CO 2 . O modelo também identificou componentes não necessa¡rios, o que deve tornar a funcionalidade dos pirena³ides de engenharia nas plantas uma tarefa mais simples. Este modelo simplificado do pirena³ide, mostraram os pesquisadores, se comporta de maneira semelhante a  organela real.

“O novo modelo desenvolvido por Fei, Wilson e colegas éum divisor de a¡guas”, disse Alistair McCormick, especialista em Fisiologia Molecular de Plantas e Biologia Sintanãtica da Universidade de Edimburgo, que trabalhou com os cientistas de Princeton, mas não esteve envolvido nisso. estudar.

"Uma das principais descobertas deste artigo, que diferencia o mecanismo de concentração de carbono de Chlamydomonas daqueles encontrados em cianobactanãrias, éque a introdução de transportadores de bicarbonato ativos pode não ser necessa¡ria", disse McCormick. "Isso éimportante porque o transporte ativo de bicarbonato tem sido um desafio fundamental que impede o progresso na engenharia de mecanismos biofa­sicos de concentração de carbono".