Durante décadas científicos de todo el mundo enfrentaron una paradoja biológica: la rubisco, una enzima fundamental para la vida en la Tierra: responsable de iniciar la fotosíntesis —el proceso por el cual las plantas convierten dióxido de carbono en energía—, es tan notoriamente ineficiente que se le ha calificadado como el “cuello de botella de la evolución vegetal”.
No obstante, ahora un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) logra lo que muchos consideraban casi imposible: rediseñar esta enzima para que funcione mejor, más rápido y con mayor precisión.
En un estudio reciente los investigadores del MIT anunciaron que aumentaron en 25% la eficiencia catalítica de la rubisco mediante una técnica conocida como evolución dirigida, método que simula un proceso de evolución acelerada en el laboratorio, permitiendo a los científicos generar miles de variantes de una proteína y seleccionar aquellas que presentan mejoras funcionales.
Para este caso el resultado fue una versión optimizada de rubisco más resistente a la interferencia del oxígeno —uno de los principales problemas que afecta su desempeño natural.
Dilema
Desde el punto de vista evolutivo, la rubisco es un fósil viviente. Surgió hace más de dos mil 500 millones de años en una Tierra con muy poco oxígeno en la atmósfera. En ese entorno primitivo su capacidad para capturar dióxido de carbono (CO₂) funcionaba sin obstáculos.
Pero a medida que el oxígeno (O₂) comenzó a acumularse —producto de la misma fotosíntesis que ayudó a desarrollar—, la rubisco empezó a cometer errores: en lugar de fijar CO₂, a veces capturaba O₂, lo que da lugar a un proceso inútil y energéticamente costoso llamado fotorrespiración.
Esa ineficiencia limita la productividad natural de las plantas y, por ende, la capacidad de los cultivos agrícolas de aprovechar plenamente la luz solar: según estimaciones científicas las plantas pierden entre 20 y 50% de su energía fotosintética potencial debido a este error de identificación molecular.
Avance
Para resolver este problema los investigadores utilizaron una bacteria como plataforma experimental. Modificaron genéticamente un sistema bacteriano que depende de la rubisco para sobrevivir, de modo que solo aquellas versiones más eficientes de la enzima permitieran el crecimiento. A lo largo de cientos de ciclos, y bajo presión selectiva constante, las rubiscos mejoradas evolucionaron en tiempo récord.
El resultado es una enzima que no solo procesa CO₂ de forma más eficaz, sino que también evita errores al confundirlo con oxígeno. “La nueva versión de rubisco tiene una tasa de fijación de carbono significativamente mayor y muestra una tolerancia notable al oxígeno”, explicaron los autores del estudio.
Alcances y desafíos
Aunque el experimento se realizó en bacterias, el potencial de transferir esta rubisco optimizada a plantas superiores es una de las grandes ambiciones del equipo del MIT. Si se logra implementar en cultivos comerciales —como trigo, arroz, maíz o soya— la modificación podría aumentar sustancialmente los rendimientos, especialmente en regiones donde la eficiencia fotosintética es limitada por altas temperaturas o baja disponibilidad de agua.
La investigación se enmarca en una tendencia más amplia de rediseñar los sistemas naturales de captura de carbono. Científicos del Reino Unido, China y Alemania también han intentado en años recientes desarrollar rubiscos sintéticas o adaptar mecanismos de fijación de carbono de algas y bacterias fotosintéticas. Sin embargo, este estudio del MIT marca una diferencia al lograr una mejora significativa usando una técnica de evolución artificial en tiempo real.
Pese al entusiasmo, los expertos advierten que hay múltiples pasos por delante antes de que esta nueva enzima llegue al campo. Primero, será necesario insertar el gen que codifica la rubisco mejorada en plantas modelo, como Arabidopsis thaliana o berro de thale (organismo modelo predilecto en biología vegetal debido a su genética simple, ciclo de vida corto y facilidad de cultivo), y verificar que el rendimiento superior se mantiene en un sistema vegetal complejo. Luego, deberá probarse en condiciones agrícolas reales, incluyendo variaciones de luz, temperatura, humedad y presencia de plagas.
Asimismo, será necesario abordar cuestiones regulatorias y bioéticas, dado que estas modificaciones se enmarcan en el ámbito de la ingeniería genética. Sin embargo, el contexto global —marcado por el cambio climático, la inseguridad alimentaria y la necesidad de producir más con menos— podría acelerar la aceptación de cultivos con mejoras fotosintéticas.
Nueva revolución verde
Este avance se suma a una nueva generación de tecnologías agrícolas, que incluyen el uso de Inteligencia Artificial (IA) para optimizar el riego, edición genética de alta precisión mediante CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats o Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Espaciadas), un instrumento de laboratorio que se usa para cambiar o “editar” piezas del ADN de una célula, y sensores de fotosíntesis en tiempo real.
Dichas innovaciones podrían constituir en conjunto una nueva Revolución Verde, en la que la productividad no dependa tanto de fertilizantes o pesticidas, sino de rediseñar los propios mecanismos internos de las plantas.
En este escenario, una enzima modificada en un laboratorio del MIT podría ser el catalizador de una transformación sin precedentes: cultivos más eficientes, sostenibles y adaptados a un planeta cambiante.
Y todo inicia con una molécula humilde, lenta pero fundamental, que por fin parece despertar de su letargo evolutivo.
Evolución dirigida
Se trata de una técnica de ingeniería molecular que acelera el proceso evolutivo en el laboratorio. Consiste en generar miles de versiones de una proteína —como la rubisco—, introducirlas en organismos modificados y seleccionar aquellas variantes que muestran mejor desempeño. En el caso del MIT esta herramienta permitió desarrollar una rubisco más rápida y precisa en pocos meses, algo que en la naturaleza habría tomado millones de años.
Fuente: MIT
Bioingeniería vegetal
La rubisco (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa) no solo es la enzima más abundante del planeta, sino también una de las más estudiadas en biología molecular y bioingeniería.
Durante décadas ha sido foco de intensas investigaciones por parte de laboratorios en Estados Unidos, Europa, China y Australia, con el objetivo de entender y mejorar su funcionamiento.
Su importancia radica en su papel central en la fijación del carbono atmosférico, el primer paso de la fotosíntesis. Cualquier mejora en su eficiencia puede traducirse directamente en cultivos con mayor rendimiento, mejor uso del agua y menor dependencia de fertilizantes. Modificar la rubisco es extremadamente difícil debido a su complejidad estructural, su lenta tasa catalítica y la dependencia de múltiples factores celulares.
Fuente: MIT