A fim de alimentar uma população projetada de 9 mil milhões de pessoas até 2050, os agricultores precisam de cultivar 50% mais alimentos numa quantidade limitada de terra arável. Como resultado, os cientistas vegetais estão numa corrida contra o tempo para engendrar culturas com maiores rendimentos, melhorando a fotossíntese.
As algas azuis-esverdeadas (cianobactérias) são conhecidas por serem fotossintetizadas de forma mais eficiente do que a maioria das culturas, pelo que os investigadores estão a trabalhar para colocar elementos de cianobactérias nas plantas cultivadas.
Um novo estudo liderado pela Universidade de Cornell descreve um passo significativo no sentido de atingir esse objetivo. "Absence of Carbonic Anhydrase in Chloroplasts Affects C3 Plant Development but Not Photosynthesis", publicado a 11 de Agosto no Proceedings of the National Academy of Sciences.
Maureen Hanson, professora de biologia molecular de plantas, é a autora sénior do artigo. Kevin Hines, antigo aluno do laboratório de Hanson, e Vishal Chaudhari, associado de pós-doutoramento no laboratório de Hanson, são co-autores principais.
Quando as plantas são fotossintetizadas convertem dióxido de carbono, água e luz em oxigénio e sacarose, um açúcar utilizado para a energia e para a construção de novos tecidos. Durante este processo, Rubisco, uma enzima encontrada em todas as plantas, retira carbono inorgânico do ar e "fixa" ou converte-o para uma forma orgânica que a planta utiliza para construir tecidos.
Um obstáculo para melhorar a fotossíntese nas culturas é que o Rubisco reage tanto com dióxido de carbono como com oxigénio no ar; esta última reação cria subprodutos tóxicos, abranda a fotossíntese e, assim, reduz o rendimento. Mas nas cianobactérias, o Rubisco está contido dentro de microcompartimentos chamados carboxysomes que protegem o Rubisco do oxigénio.
O carboxissoma permite adicionalmente que as cianobactérias concentrem dióxido de carbono para que o Rubisco possa utilizá-lo para uma fixação mais rápida do carbono, disse Hanson. "As plantas cultivadas não têm carboxissomas, por isso a ideia é eventualmente colocar em todo o mecanismo de concentração de carbono das cianobactérias em plantas cultivadas", acrescentou ela.
Para conceber este sistema para trabalhar em plantas de cultura, os cientistas devem remover a anidrase carbónica, uma enzima natural, dos cloroplastos, organelas nas células vegetais onde ocorre a fotossíntese. Isto porque o papel da anidrase é criar um equilíbrio entre CO2 e bicarbonato em células vegetais, catalisando reações em que CO2 e água formam bicarbonato e vice-versa. Mas para que o mecanismo de concentração de carbono das cianobactérias funcione nas culturas, o bicarbonato no sistema deve atingir níveis muitas vezes superiores aos encontrados em equilíbrio.
"Assim, neste estudo", disse Hanson, "fizemos aquele passo [de remover a anidrase] que vai ser necessário para que o carboxysome funcione".
No artigo, os autores descrevem o uso da tecnologia de edição de genes CRISPR/Cas9 para desativar genes que expressam duas enzimas de anidrase carbónica que estão presentes nos cloroplastos. No passado, outro grupo de investigação tinha usado um método diferente para remover 99% da atividade da enzima anidrase, e as plantas cresceram normalmente. Mas quando Hanson e colegas removeram 100% da atividade da enzima, as plantas quase não cresceram. "Mostrou que as plantas precisam desta enzima para fazer bicarbonato que é utilizado em caminhos para fazer componentes do tecido foliar", disse Hanson.
Quando colocaram as plantas numa câmara de crescimento elevado de CO2, retomaram o crescimento normal, pois as elevadas quantidades de CO2 resultaram numa reação espontânea para formar bicarbonato.
A equipa acredita que têm uma solução para remover a anidrase e ainda têm bicarbonato suficiente. Em investigações futuras, recentemente financiadas por uma bolsa de três anos, perto de 800.000 dólares da National Science Foundation, planeiam colocar um transportador de bicarbonato na membrana cloroplástica, a fim de importar bicarbonato de outras partes da célula em cloroplastos. Além de tornar a anidrase desnecessária, espera-se que o bicarbonato extra melhore a fotossíntese mesmo antes de os carboxissomas poderem ser transformados em cloroplastos.
As experiências mostraram que a ausência de anidrase carbónica não interferia com a fotossíntese, ao contrário do que se esperava anteriormente.
Um problema potencial é que a anidrase carbónica encontrada nos cloroplastos é conhecida por estar envolvida nas vias de defesa da planta. No entanto, investigadores do grupo de Hanson descobriram que poderiam incorporar uma versão enzimaticamente inativa da anidrase carbónica e ainda manter a defesa da planta.
"Sabemos agora que podemos fazer uma enzima inativa que não irá afetar o nosso mecanismo de concentração de carbono, mas que ainda assim permitirá que as plantas cultivadas sejam resistentes aos vírus", disse Hanson.
