Investigadores de todo el mundo están desarrollando nuevas tecnologías para capturar carbono de la atmósfera, pero muchos de estos enfoques presentan un obstáculo fundamental: su capacidad para escalar. Sin embargo, la naturaleza ya ha encontrado una solución efectiva: las plantas, algas y bacterias fotosintéticas son las herramientas más eficientes para eliminar dióxido de carbono (CO2) del aire.
El trabajo en este ámbito recae en su mayoría sobre una enzima: la Rubisco, la enzima más abundante del planeta, responsable de capturar aproximadamente 100 gigatoneladas de carbono cada año. A pesar de su importancia, la Rubisco no es perfecta: en comparación con otras enzimas, es relativamente lenta y puede cometer errores, reaccionando accidentalmente con oxígeno en lugar de con CO2. En los sistemas naturales parece existir un compromiso: las variaciones de Rubisco que cometen menos errores son más lentas, mientras que las versiones más rápidas son más propensas a fallos.
Avances en la ingeniería de Rubisco
Un nuevo estudio publicado en Nature el 22 de enero, liderado por el investigador Dave Savage del Innovative Genomics Institute, ha explorado un amplio conjunto de mutantes de la Rubisco, más allá de lo que se ha observado en la naturaleza. Este trabajo abre nuevas vías para mejorar y personalizar la función de esta enzima crucial.
“La ingeniería de Rubisco tendría un impacto increíble, ya que podríamos mejorar la capacidad de las plantas para asimilar CO2 y, en particular, adaptarlas a las futuras condiciones atmosféricas”, afirma Savage.
A pesar de que existen variaciones de la molécula Rubisco adaptadas a diferentes entornos, millones de años de evolución no han dado lugar a una versión de la enzima que sea simultáneamente rápida y precisa. Los investigadores se propusieron crear conjuntos de datos de alto rendimiento sobre la función de Rubisco para entender mejor sus compensaciones.
El equipo, en colaboración con el laboratorio de Ron Milo en el Instituto Weizmann, modificó una cepa de la bacteria E. coli para que dependiera de Rubisco, ya que en la naturaleza esta bacteria no utiliza esta enzima. La capacidad de crecimiento de la bacteria se correlacionó con la velocidad de su Rubisco, permitiendo medir el impacto de los cambios en la secuencia de ADN que codifica la enzima.
Se llevó a cabo un «escaneo mutacional profundo» en el que se generaron prácticamente 9,000 mutantes de la enzima, que luego fueron evaluados en conjunto. La pregunta clave era si alguna de estas mutaciones alteraba significativamente el rendimiento de la Rubisco en presencia de CO2. La mayoría no mostró cambios relevantes, mientras que algunas redujeron su afinidad por el CO2, aumentando la tasa de errores. Sin embargo, un puñado de mutaciones se destacó por sus resultados positivos.
“La sorpresa para nosotros fue que había cuatro mutaciones que, a pesar del ruido, mejoraron la afinidad por el CO2”, comenta Prywes, primer autor del estudio. Dos de estas mutaciones mostraron mejoras modestas en precisión, pero una de ellas duplicó la afinidad por el CO2, mientras que otra la triplicó. Sin embargo, como sucede en los sistemas naturales, estos mutantes también presentaron un compromiso: aunque mejoraron su afinidad por el CO2, su velocidad de reacción se redujo considerablemente.
“Estamos entusiasmados de que cambios tan significativos sean posibles con una sola mutación, pero es importante recordar que esto es solo el principio”, añade Savage. El equipo ahora está repitiendo el experimento en sentido inverso, evaluando mutaciones en presencia de oxígeno para analizar las tasas de error. El objetivo final es mapear completamente el paisaje de la Rubisco para que pueda ser diseñada a medida para aplicaciones específicas.
