Muchos cultivos de importancia agronómica como el maíz, el sorgo o la caña de azúcar, desarrollaron durante su evolución el llamado “metabolismo C4”: un truco molecular que vuelve más eficiente la fotosíntesis y permite utilizar mejor el dióxido de carbono del ambiente como fuente de carbono, especialmente en condiciones de alta temperatura o radiación y menor disponibilidad de agua. Ahora, un equipo de investigación internacional liderado por dos científicas rosarinas descubrió los sutiles cambios estructurales que le permiten a una enzima clave participar de este proceso, lo cual podría servir en el futuro para el desarrollo de plantas que resistan mejor las condiciones ambientales adversas.
Los hallazgos fueron presentados en dos artículos diferentes, pero complementarios, en las revistas Molecular Biology and Evolution y The Plant Journal, siendo portada de esta última.
“Comprender estos determinantes moleculares no sólo nos permite reconstruir cómo se especializaron estas enzimas durante la evolución de la fotosíntesis C4, sino que también abre perspectivas para el futuro. Por ejemplo, este conocimiento podría utilizarse, mediante estrategias de ingeniería y edición génica, para modificar enzimas de plantas con metabolismo C3 -menos eficientes en la utilización del dióxido de carbono- e intentar incorporar algunas de las características que contribuyen a las ventajas adaptativas y productivas de las plantas C4”, señaló a la Agencia CyTA-Leloir una de las investigadoras principales, Clarisa Alvarez, doctora en Ciencias Biológicas, investigadora del Conicet en el Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos (Cefobi), que depende también de la Universidad Nacional de Rosario (UNR).
Alvarez unió fuerzas con la doctora en Bioquímica Verónica Maurino, una colega argentina que trabaja en la Universidad de Bonn, en Alemania, y quien dirige el Departamento de Fisiología Molecular de Plantas de esa institución. Juntas se enfocaron a estudiar un mecanismo clave del metabolismo C4: la concentración de dióxido de carbono alrededor de una enzima de los cloroplastos, llamada RuBisCO, que se encarga de fijar ese gas de la atmósfera a un azúcar. “La RuBisCO es clave en la fotosíntesis porque permite a las plantas incorporar el dióxido de carbono y transformarlo en compuestos orgánicos necesarios para crecer”, explicó Alvarez, quien también es codirectora de la Escuela de Biotecnología de la Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas de la UNR y prosecretaria de la Asociación Argentina de Cristalografía.
En particular, Alvarez y Maurino examinaron en detalle la participación de otra enzima, llamada “enzima málica dependiente de NADP+” o NADP-ME, que concentra el dióxido de carbono alrededor de RuBisCO a partir de la degradación de un azúcar. Esa concentración es importante porque evita que RuBisCO se “distraiga” con el oxígeno en lugar de fijar el dióxido de carbono.
El interrogante para resolver era el siguiente: ¿cuál es la diferencia entre la variante o “isoforma” de NADP-ME que cumple ese rol en la fotosíntesis C4 de plantas como el maíz o el sorgo -conocida como C4-NADP-ME- y otras isoformas de la enzima que tienen funciones metabólicas diferentes? En otras palabras: ¿qué explica la capacidad de C4-NADP-ME de integrar el engranaje de la fotosíntesis y por qué sus “hermanas” se tienen que dedicar a otras tareas?
Pequeñas diferencias en la estructura de enzimas como NADP-ME determinan propiedades funcionales muy distintas, explicó Alvarez: “Para hacer una analogía con el deporte, sería como comparar una pelota de fútbol con una de básquet: ambas son pelotas y tienen características generales muy similares, pero pequeñas diferencias en su estructura hacen que estén especialmente adaptadas a funciones distintas. No sería lo mismo pedirle a Messi que juegue al fútbol con una pelota de básquet o a Ginóbili que intente encestar con una de fútbol”, graficó.
Un acelerador de partículas
Para dilucidar en qué consisten esas diferencias, Alvarez y Maurino recurrieron a diversas técnicas de análisis, incluyendo la cristalografía: un método que “congela” y obtiene, como si fuese una foto, la estructura de una proteína a altísima resolución, permitiendo ver dónde están ubicados sus átomos. “Eso da la ventaja de poder comparar esas ‘fotos’ entre distintas proteínas que se parecen”, señaló otro coautor, Sebastián Klinke, doctor en Química Biológica, investigador del Conicet en la Fundación Instituto Leloir y expresidente de la Asociación Argentina de Cristalografía.
Klinke interpretó computacionalmente la información de los ensayos cristalográficos llevados a cabo en la estación sincrotrón de Hamburgo, Alemania, un acelerador de partículas de más de dos kilómetros de circunferencia de los que hay solo un puñado en el mundo. Mediante una técnica conocida como “difracción de rayos X” pudieron reconstruir la estructura tridimensional de la proteína cristalizada. También se realizaron análisis bioquímicos, de microscopía electrónica y simulaciones computacionales.
Las rosarinas Clarisa Alvarez (izq.) y Verónica Maurino lideraron los estudios, que se publicaron en dos revistas científicas.
Los análisis revelaron que cambios muy pequeños en determinados aminoácidos de ambas regiones terminales de la enzima estabilizan la diferente arquitectura de las isoformas de NADP-ME: las que no participan de la fotosíntesis se construyen con dos subunidades ensambladas, mientras que la C4-NADP-SE integra cuatro subunidades. “Esa organización proporciona el contexto estructural para adquirir propiedades regulatorias características de la enzima C4-EM-NADP con roles fotosintéticos”, resumió Alvarez a la Agencia CyTA-Leloir.
Por otra parte, el equipo pudo dilucidar la naturaleza singular de la interacción de las distintas variantes de la enzima con las moléculas sobre las que actúan, lo que correlaciona con su diferente capacidad de acelerar reacciones, explicó Klinke, quien también integra la Plataforma Argentina de Biología Estructural y Metabolómica (Plabem), que tiene sedes en el Leloir y en el Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR).
En conjunto, el trabajo muestra cómo pequeños cambios en una proteína pueden contribuir a adquirir características especializadas, remarcó Alvarez, quien añadió que la fotosíntesis C4 ha evolucionado de manera independiente al menos 65 veces en 19 linajes de plantas, lo que pone de manifiesto la fuerte ventaja adaptativa que confiere este mecanismo.
Optimización de funciones
“Si bien nuestros hallazgos no implican que podamos convertir inmediatamente una planta C3 como el trigo, el arroz o el tomate en una planta C4 mediante la introducción de estos cambios, identificar las reglas moleculares que determinan la adquisición y optimización de estas funciones permitiría diseñar estrategias para mejorar componentes de la fotosíntesis y aumentar la tolerancia de los cultivos frente a condiciones ambientales adversas. Esto adquiere especial relevancia en un contexto de cambio climático, caracterizado por aumentos de temperatura y una mayor frecuencia e intensidad de eventos de estrés ambiental”, concluyó Alvarez.
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De la investigación también participaron otros científicos, incluyendo Mariana Saigo y María Fabiana Drincovich, del Cefobi de Rosario, quienes ya venían trabajando en el proyecto desde un enfoque más bioquímico y fisiológico; y Fernando Zamarreño y Marcelo Costabel, del Instituto de Física del Sur (IFISUR), que depende del Conicet y de la Universidad Nacional del Sur (UNS), en Bahía Blanca, quienes realizaron simulaciones de los estados activos de la enzima que permitieron complementar las técnicas experimentales de laboratorio.
Además de Alvarez, Maurino y Klinke, el estudio publicado en Molecular Biology and Evolution también lo firman Jonas Böhm, Simone Willms, Oja Ferrao, Martin Buitrago-Arango y Meike Hüdig, de la Universidad de Bonn; Gereon Poschmann, Nazanin Fazelnia y Luitgard Nagel-Steger, de la Universidad de Düsseldorf, Alemania; Athina Drakonaki y Christos Gatsogiannis, de la Universidad de Münster, Alemania; y Marcos Tronconi, del Cefobi, en Rosario. En tanto, del publicado en The Plant Biology también fueron autores Jonas Böhm y Simone Willms, de la Universidad de Bonn; Niels Schneberger, de la Universidad de Saint Andrews, en Escocia; y Rosario Lunari, del Cefobi.
