Cientistas revivem enzimas antigas para melhorar a fotossíntese

Um estudo da Universidade de Cornell descreve um aumento na busca para melhorar a fotossíntese em algumas culturas, um passo para adaptar as plantas às rápidas mudanças climáticas e aumentar os rendimentos para alimentar 9 bilhões de pessoas até 2050.

O estudo, “Improving Rubisco Efficacy by Reviving Its Ancestors in the Nightshade Family”, publicado em 15 de abril em O progresso dos cientistas. O autor principal é Maureen Hanson, Professor Liberty Hyde Bailey de Biologia Molecular de Plantas na Faculdade de Agricultura e Ciências da Vida. O primeiro autor Myat Lin é pesquisador associado de pós-doutorado no Hanson Lab.

Os autores desenvolveram uma técnica computacional para prever as sequências de genes favoráveis ​​que fazem da rubisco uma enzima vegetal chave para a fotossíntese. Essa técnica permitiu que os cientistas identificassem enzimas candidatas promissoras que poderiam ser incorporadas em culturas modernas e, finalmente, tornar a fotossíntese mais eficiente e aumentar o rendimento das culturas.

Seu método se baseou na história evolutiva, com pesquisadores prevendo genes da Rubisco de 20 a 30 milhões de anos atrás, quando o dióxido de carbono (CO) apareceu na Terra.2) eram maiores do que são hoje e as enzimas Rubisco das plantas foram adaptadas a esses níveis.

Ressuscitando o antigo Rubisco, os primeiros resultados são lançadores para o desenvolvedor de enzimas Rubisco plus rapides et plus efficaces para incorporar nas culturas e no auxiliar a s’adapter aux condições futuras chaudes et main actives sège sèches, the heat.2 Concentrações de gases na atmosfera da Terra.

O estudo descreve as previsões de 98 enzimas Rubisco em pontos-chave na história evolutiva das plantas da família das beladonas, que inclui tomates, pimentões, batatas, berinjela e tabaco. Pesquisadores estão usando o tabaco como modelo experimental para seus estudos da Rubisco.

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“Conseguimos identificar enzimas ancestrais previstas que têm qualidades superiores em comparação com as enzimas atuais”, disse Hanson. Lin desenvolveu uma nova técnica para identificar as antigas enzimas Rubisco previstas.

Os cientistas sabem que podem aumentar o rendimento das colheitas acelerando a fotossíntese, na qual as plantas convertem o dióxido de carbono2Água e luz se convertem em oxigênio e açúcares que as plantas usam para produzir energia e construir novos tecidos.

Por muitos anos, os pesquisadores se concentraram na Rubisco, uma enzima lenta que extrai (ou fixa) carbono do dióxido de carbono.2 para fazer açúcares. Além de lenta, a Rubisco às vezes catalisa uma reação com o oxigênio do ar; Ao fazer isso, cria um subproduto tóxico, desperdiça energia e torna a fotossíntese ineficiente.

O laboratório de Hanson havia tentado anteriormente a cianobactéria rubisco (uma alga azul-esverdeada), que é mais rápida, mas também reage facilmente com o oxigênio, forçando os pesquisadores a tentar criar microcâmaras para proteger a enzima de oxigênio, com resultados mistos. Outros pesquisadores tentaram projetar uma Rubisco mais otimizada fazendo alterações nos aminoácidos da enzima, embora pouco se saiba sobre as alterações que levariam aos resultados desejados.

Neste estudo, Lin reconstruiu a filogenia – um diagrama em forma de árvore que mostra a relação evolutiva entre grupos de organismos – para Rubescu, usando plantas Solanaceae.

‘Recebendo muito [genetic] “Sequenciando a rubisco em plantas existentes, uma árvore filogenética pode ser construída para determinar qual rubisco pode ter sido cerca de 20 a 30 milhões de anos atrás”, disse Hanson.

O benefício de identificar um possível sequenciamento antigo da Rubisco é que os níveis de dióxido de carbono podem ter atingido 500 a 800 partes por milhão (ppm) na atmosfera há 25 a 50 milhões de anos. Hoje, o dióxido de carbono retém o calor2 Os níveis estão subindo acentuadamente devido a várias atividades humanas, com medições atuais em torno de 420 partes por milhão, tendo permanecido relativamente constante abaixo de 300 partes por milhão por centenas de milhares de anos até a década de 1950.

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Lane, Hanson e colegas usaram então um sistema experimental desenvolvido para tabaco no laboratório de Hanson e descrito em um trabalho de pesquisa publicado em 2020 na Nature Plants, que usa a bactéria Escherichia coli para testar a eficácia de diferentes versões em um único dia pela Rubisco. Testes semelhantes realizados em fábricas levam meses para serem verificados.

A equipe descobriu que as antigas enzimas Rubisco esperadas das plantas modernas de Solanaceae mostraram uma promessa real de serem mais eficazes.

“Para a próxima etapa, queremos substituir os genes da enzima Rubisco encontrados no tabaco por essas sequências ancestrais usando a tecnologia CRISPR. [gene-editing] A tecnologia então mede como isso afeta a produção de biomassa”, disse Hanson. “Certamente esperamos que nossos experimentos mostrem que, adaptando a Rubisco às condições atuais, teremos plantas que fornecerão melhores rendimentos.

Se o método for bem-sucedido, a sequência efetiva de Rubisco poderá ser transferida para culturas como tomate, bem como para outras famílias de plantas, como soja e arroz.

O estudo foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA.

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