Uma equipe internacional de cientistas descobriu uma estratégia molecular surpreendente usada por um raro grupo de plantas terrestres. A descoberta poderá um dia ajudar os investigadores a projetar culturas importantes como o trigo e o arroz para transformar a luz solar em alimentos de forma muito mais eficiente.
O estudo foi liderado por cientistas do Instituto Boyce Thompson (BTI), da Universidade Cornell e da Universidade de Edimburgo. Aborda uma importante limitação agrícola associada à Rubisco, uma enzima que captura 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 falha grave. A enzima funciona lentamente e pode interagir facilmente com o oxigênio em vez do dióxido de carbono, o que desperdiça energia e reduz a eficiência do crescimento das plantas.
“Rubiska é possivelmente a enzima mais importante do planeta porque é a porta de entrada para quase todo o carbono dos alimentos que comemos”, disse Fei-Wei Li, professor associado do BTI, que liderou a pesquisa. “Mas é lento e fácil consumir oxigênio, o que desperdiça energia e limita a eficiência do crescimento das plantas.”
Com o tempo, alguns organismos desenvolveram formas de superar esta ineficiência. Muitas espécies de algas, por exemplo, contêm Rubisco dentro de pequenas estruturas em suas células chamadas pirenóides. Esses compartimentos microscópicos concentram o dióxido de carbono ao redor da enzima, permitindo que ela funcione de forma mais eficiente.
Os pesquisadores há muito esperam implementar esse tipo de sistema de concentração de carbono em culturas alimentares que não possuem pirenóides naturalmente. No entanto, transferir a técnica complexa das algas para as plantas terrestres revelou-se extremamente difícil.
Plantas Hornbeam revelam uma estratégia inesperada
A descoberta ocorreu quando os cientistas estudaram as antóceros, as únicas plantas terrestres conhecidas por conterem compartimentos de concentração de carbono semelhantes aos encontrados nas algas. Como as antóceros têm uma relação evolutiva mais próxima com as plantas agrícolas do que as algas, os investigadores suspeitaram que as suas ferramentas moleculares poderiam ser mais fáceis de transferir.
O que descobriram foi bem diferente do que esperavam.
“Nós levantamos a hipótese de que as córneas usariam algo semelhante ao que as algas usam – uma proteína separada que une a Rubisco”, disse Tanner Robison, um estudante de graduação que trabalha com Lee e um dos autores do artigo. “Em vez disso, descobrimos que eles modificaram a própria Rubisco para fazer o trabalho.”
Proteína RbcS-STAR e agrupamento Rubisco
O elemento-chave é um componente proteico incomum que os pesquisadores chamaram de RbcS-STAR. A própria Rubisco consiste em pedaços grandes e pequenos de proteína. Nas córneas, uma versão do pequeno componente inclui um segmento adicional denominado região STAR.
Esta cauda extra se comporta como velcro molecular. Isso faz com que as proteínas Rubisco se unam e formem estruturas agrupadas dentro da célula.
Para determinar se o STAR poderia funcionar em outras plantas, os pesquisadores realizaram vários experimentos. Pela primeira vez, eles introduziram o componente RbcS-STAR em espécies de erva-calau intimamente relacionadas que não formam pirenóides naturalmente. Após a mudança, a Rubisco deixou de ser distribuída pela célula e passou a formar estruturas concentradas semelhantes a pirenóides.
Os cientistas testaram então a mesma ideia na Arabidopsis, uma planta amplamente utilizada em pesquisas laboratoriais. Mais uma vez, a Rubisco reuniu-se em compartimentos apertados dentro dos cloroplastos.
“Até tentamos anexar apenas a cauda STAR à Rubisco nativa da Arabidopsis, e isso causou o mesmo efeito de agrupamento”, disse Alistair McCormick, professor da Universidade de Edimburgo que liderou o estudo. “Isso nos diz que o STAR é realmente uma força motriz. É uma ferramenta modular que pode funcionar em diferentes sistemas de fábrica.”
Uma rota potencial para culturas mais eficientes
O facto deste mecanismo funcionar em diferentes tipos de plantas torna a descoberta particularmente importante para a agricultura. Isto sugere que os cientistas podem ser capazes de induzir o agrupamento de Rubisco em plantas cultivadas simplesmente adicionando este versátil componente de velcro.
No entanto, os investigadores sublinham que ainda há trabalho a ser feito. Além de agrupar a Rubisco, as plantas também devem fornecer dióxido de carbono à enzima de maneira eficiente.
“Construímos uma casa Rubisco, mas não será uma casa eficiente até atualizarmos o sistema HVAC”, disse Laura Gunn, professora assistente da Universidade Cornell que liderou o estudo. A equipe está atualmente trabalhando em uma solução para esse problema.
Um passo em direção a uma produção alimentar mais sustentável
Independentemente disso, a descoberta representa um avanço importante nos esforços para melhorar a fotossíntese. Mesmo um pequeno aumento na eficiência da fotossíntese poderia aumentar o rendimento das culturas e, ao mesmo tempo, reduzir o impacto ambiental da agricultura. Este objetivo está a tornar-se cada vez mais importante à medida que os cientistas procuram formas de produzir mais alimentos de forma sustentável para uma população mundial crescente.
“Este estudo mostra que a natureza já tentou soluções com as quais podemos aprender”, disse Lee. “Nosso trabalho é compreender essas soluções o suficiente para aplicá-las onde são mais necessárias: nas culturas que alimentam o mundo.”
O estudo foi publicado na Science com contribuições iguais de quatro jovens cientistas: Tanner A. Robison, Yuwei Mao, Zhen Guo Oh e Warren SL Ang. Os autores correspondentes foram Laura H. Gunn, Alistair J. McCormick e Fei-Wei Li.
