Uma equipe internacional de cientistas descobriu uma estratégia molecular surpreendente usada por uma planta terrestre rara. A descoberta poderá um dia ajudar os investigadores a redesenhar culturas importantes como o trigo e o arroz, para que convertam a luz solar em alimentos de forma mais eficiente.
A pesquisa foi liderada por cientistas do Instituto Boyce Thompson (BTI), da Universidade Cornell e da Universidade de Edimburgo. Ele aborda uma grande limitação na agricultura que envolve a Rubisco, a enzima que absorve dióxido de carbono do ar durante a fotossíntese.
Rubisco e os limites da fotossíntese
A Rubisco desempenha um papel central na vida na Terra, mas tem uma grande desvantagem. A enzima funciona lentamente e pode interagir facilmente com o oxigênio em vez do dióxido de carbono, o que desperdiça energia e reduz a eficácia do crescimento das plantas.
“A Rubisco é indiscutivelmente a enzima mais importante do planeta porque é o ponto de entrada para quase todo o carbono dos alimentos que comemos”, disse o professor associado do BTI, Fei-Wei Li, que co-liderou a pesquisa. “Mas é lenta e facilmente interrompido pelo oxigênio, que desperdiça energia e limita a eficiência com que as plantas podem crescer.”
Com o tempo, alguns organismos desenvolveram formas de superar esta ineficiência. Muitos tipos de algas, por exemplo, armazenam Rubisco em suas células em pequenas estruturas chamadas pirenóides. Esses compartimentos microscópicos condensam o dióxido de carbono ao redor da enzima, permitindo que ela funcione com mais eficiência.
Os investigadores há muito esperam introduzir este tipo de sistema de concentração de carbono nas culturas alimentares, que não contêm pirenóides naturalmente. No entanto, a transferência de maquinaria complexa das algas para as plantas terrestres revelou-se extremamente difícil.
Plantas Hornwort revelam uma estratégia inesperada
Um avanço ocorreu quando os cientistas examinaram as erva-calau, as únicas plantas terrestres que contêm compartimentos concentradores de carbono semelhantes aos das algas. Como as lagartas partilham uma relação evolutiva mais próxima com as plantas cultivadas do que com as algas, os investigadores suspeitaram que as suas ferramentas moleculares poderiam ser mais fáceis de transferir.
O que descobriram foi muito diferente do que esperavam.
“Nós levantamos a hipótese de que as erva-calau usariam algo semelhante ao que as algas usam – uma proteína separada que se liga à Rubisco”, disse Tanner Robison, um estudante de graduação que trabalha com Lee e co-autor do artigo. “Em vez disso, descobrimos que eles modificaram a própria Rubisco para fazer o trabalho.”
Proteínas estrela de hemácias e agrupamento Rubisco
O ingrediente principal é um componente proteico incomum que os pesquisadores chamaram de RbcS-STAR. A própria Rubisco é construída a partir de fragmentos de proteínas grandes e pequenos. Nas antóceros, uma versão do elemento pequeno inclui uma parte adicional chamada região estelar.
Esta cauda extra se comporta como velcro molecular. Ele une as proteínas Rubisco e forma estruturas agrupadas dentro da célula.
Para determinar se Star poderia funcionar em outras plantas, os pesquisadores realizaram vários experimentos. Eles introduziram pela primeira vez o elemento RbcS-STAR em uma espécie de erva-calau intimamente relacionada que não forma pirenóides naturalmente. Após a transformação, a Rubisco deixa de ser dispersa por toda a célula e passa a formar estruturas condensadas, como pirenóides.
Os cientistas testaram então a mesma ideia em Arabidopsis, uma planta amplamente utilizada em pesquisas laboratoriais. Novamente, a Rubisco acumulou-se em compartimentos densos dentro do cloroplasto.
“Até tentamos anexar apenas a cauda estelar à Rubisco nativa em Arabidopsis e isso desencadeou o mesmo efeito de agrupamento”, disse o professor Alastair McCormick, da Universidade de Edimburgo, que co-liderou o estudo. “Isso nos diz que o STAR é a verdadeira força motriz. É uma ferramenta modular que pode funcionar em diferentes sistemas de fábrica.”
Possíveis caminhos para culturas mais eficientes
O facto de este processo funcionar em diferentes espécies de plantas torna a descoberta particularmente importante para a agricultura. Isso sugere que os cientistas podem ser capazes de desencadear o agrupamento de Rubisco em plantas cultivadas adicionando este componente universal de velcro.
No entanto, os pesquisadores enfatizam que é necessário mais trabalho. Além do agrupamento da Rubisco, as plantas devem fornecer eficientemente dióxido de carbono para a enzima.
“Construímos uma casa Rubisco, mas não será uma casa eficiente até atualizarmos o HVAC”, disse a professora assistente da Universidade Cornell, Laura Gunn, que co-liderou o estudo. A equipe agora está trabalhando para enfrentar esse desafio.
Um passo em direção a uma produção alimentar mais sustentável
Ainda assim, a descoberta representa um avanço importante nos esforços para melhorar a fotossíntese. O aumento da eficiência fotossintética pode aumentar, mesmo ligeiramente, o rendimento das colheitas, ao mesmo tempo que reduz o impacto ambiental da agricultura. Este objetivo é cada vez mais importante à medida que os cientistas procuram formas de produzir de forma sustentável mais alimentos para uma população mundial crescente.
“Este estudo mostra que a natureza já testou soluções com as quais podemos aprender”, disse Lee. “Nosso trabalho é compreender melhor essas soluções para aplicá-las onde são mais necessárias – nas culturas que alimentam o mundo”.
A pesquisa foi publicada na Science, com contribuições iguais de quatro cientistas em início de carreira: Tanner A. Robison, Yuwei Mao, Zhen Guo Oh e Warren SL Ang. Os autores correspondentes foram Laura H. Song, Alistair J. McCormick e Fay-Wei Lee.
