Científicos del MIT han logrado mejorar la eficiencia de una enzima clave en la fotosíntesis, un avance que podría revolucionar la agricultura al permitir cultivos más productivos y resistentes al cambio climático. A través de ingeniería de proteínas, optimizaron el rendimiento de la enzima Rubisco, superando una de las principales limitaciones naturales del proceso fotosintético.
MIT News / 7 de julio, 2025.- Durante la fotosíntesis, una enzima llamada rubisco cataliza una reacción clave: la incorporación de dióxido de carbono a compuestos orgánicos para crear azúcares. Sin embargo, la rubisco, considerada la enzima más abundante en la Tierra, es muy ineficiente en comparación con otras enzimas implicadas en la fotosíntesis.
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Químicos del MIT han demostrado que pueden mejorar considerablemente una versión de la rubisco presente en bacterias de entornos con bajo contenido de oxígeno. Mediante un proceso conocido como evolución dirigida, identificaron mutaciones que podrían aumentar la eficiencia catalítica de la rubisco hasta en un 25 %.
Los investigadores planean aplicar su técnica a formas de rubisco que podrían utilizarse en plantas para aumentar sus tasas de fotosíntesis, lo que podría mejorar el rendimiento de los cultivos. “Creo que esta es una demostración convincente de la mejora exitosa de las propiedades enzimáticas de la rubisco, lo que genera grandes esperanzas para la ingeniería de otras formas de rubisco”, afirma Matthew Shoulders, profesor de Química de la generación de 1942 en el MIT.
Shoulders y Robert Wilson, investigador del Departamento de Química, son los autores principales del nuevo estudio, que se publica esta semana en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias. La estudiante de posgrado del MIT, Julie McDonald, es la autora principal del artículo.
Evolución de la eficiencia
Cuando las plantas o las bacterias fotosintéticas absorben energía del sol, primero la convierten en moléculas que almacenan energía, como el ATP. En la siguiente fase de la fotosíntesis, las células utilizan esa energía para transformar una molécula conocida como ribulosa bisfosfato en glucosa, lo que requiere varias reacciones adicionales. La rubisco cataliza la primera de estas reacciones, conocida como carboxilación. Durante esta reacción, el carbono del CO₂ se añade a la ribulosa bisfosfato.
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En comparación con otras enzimas implicadas en la fotosíntesis, la rubisco es muy lenta, catalizando solo de una a diez reacciones por segundo. Además, la rubisco también puede interactuar con el oxígeno, lo que da lugar a una reacción competitiva que incorpora oxígeno en lugar de carbono, un proceso que desperdicia parte de la energía absorbida de la luz solar.
“Para los ingenieros de proteínas, este es un conjunto de problemas muy atractivo, ya que esas características parecen ser cosas que podrían mejorarse modificando la secuencia de aminoácidos de la enzima”, afirma McDonald.
Investigaciones previas han mejorado la estabilidad y la solubilidad de la rubisco, lo que se tradujo en pequeñas mejoras en la eficiencia enzimática. La mayoría de estos estudios utilizaron evolución dirigida, una técnica en la que una proteína natural se muta aleatoriamente y luego se analiza para detectar la aparición de nuevas características deseables.
Este proceso se suele realizar mediante PCR propensa a errores, una técnica que primero genera mutaciones in vitro (fuera de la célula), introduciendo típicamente solo una o dos mutaciones en el gen diana (objetivo). En estudios previos sobre la rubisco, esta biblioteca de mutaciones se introdujo en bacterias que crecen a una velocidad relativa a su actividad. Las limitaciones de la PCR, propensa a errores, y de la eficiencia en la introducción de nuevos genes restringen el número total de mutaciones que se pueden generar y analizar con este enfoque. La mutagénesis manual y los pasos de selección también prolongan el proceso a lo largo de múltiples rondas de evolución.
El equipo del MIT utilizó, en su lugar, una técnica de mutagénesis más reciente, desarrollada previamente por el Laboratorio Shoulders, denominada MutaT7. Esta técnica permite a los investigadores realizar tanto la mutagénesis como el análisis en células vivas, lo que acelera drásticamente el proceso. Su técnica también les permite mutar el gen diana a una mayor velocidad.
«Nuestra técnica de evolución dirigida continua permite observar muchas más mutaciones en la enzima que antes», afirma McDonald.
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Mejor rubisco
Para este estudio, los investigadores comenzaron con una versión de rubisco, aislada de una familia de bacterias semianaerobias conocida como Gallionellaceae, que es una de las rubisco más rápidas que se encuentran en la naturaleza. Durante los experimentos de evolución dirigida, realizados en E. coli, los investigadores mantuvieron a los microbios en un entorno con niveles atmosféricos de oxígeno, lo que generó presión evolutiva para que se adaptaran al oxígeno.
Tras seis rondas de evolución dirigida, los investigadores identificaron tres mutaciones diferentes que mejoraron la resistencia de la rubisco al oxígeno. Cada una de estas mutaciones se encuentra cerca del sitio activo de la enzima (donde realiza la carboxilación u oxigenación). Los investigadores creen que estas mutaciones mejoran la capacidad de la enzima para interactuar preferentemente con el dióxido de carbono en lugar del oxígeno, lo que conduce a un aumento general de la eficiencia de la carboxilación.
La pregunta subyacente es: ¿Se pueden alterar y mejorar las propiedades cinéticas de la rubisco para que funcione mejor en los entornos donde se desea?, afirma Shoulders. Lo que cambió a través del proceso de evolución dirigida fue que la rubisco comenzó a reaccionar menos con el oxígeno. Esto le permite funcionar bien en un entorno rico en oxígeno, donde normalmente se distraería constantemente y reaccionaría con el oxígeno, algo que no se desea.
En un trabajo en curso, los investigadores están aplicando este enfoque a otras formas de rubisco, incluyendo la rubisco de plantas. Se cree que las plantas pierden alrededor del 30% de la energía de la luz solar que absorben mediante un proceso llamado fotorrespiración, que ocurre cuando la rubisco actúa sobre el oxígeno en lugar del dióxido de carbono.
«Esto realmente abre la puerta a muchas nuevas investigaciones interesantes, y supone un paso más allá de los tipos de ingeniería que han dominado la ingeniería de la rubisco en el pasado», afirma Wilson.
«Existen beneficios claros para la productividad agrícola que podrían aprovecharse mediante una mejor rubisco». La investigación fue financiada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud, una subvención Grand Challenge del Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel y una beca de la Sociedad de la Familia Martin para la Sostenibilidad.