25 septiembre, 2019
Manuel Lino González (19 artículos)
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Enmiendan error de la fotosíntesis de 2,800 millones de años

A principios de año, científicos de EU y China “corrigieron” un problema que se originó con la fotosíntesis e inventaron plantas que podrían ser la solución para alimentar a la humanidad en el futuro

El 2019 tenía apenas tres días de iniciado cuando se publicó el que prometía ser uno de los inventos más importantes para los próximos 30 años. Solo siete días y se publicó otro que incluso lo superó en importancia. Se trata de una invención que, si sabemos aprovecharla, permitirá que la humanidad no tenga hambre en el futuro, cuando seamos casi 10 mil millones de personas, pues optimiza la fotosíntesis.

El 3 de enero, la revista Science publicó el reporte de una investigación que logró aumentar la producción de la planta de tabaco en 40% al hacer más eficiente la fotosíntesis. Los autores del artículo, Amanda Cavanagh, Paul South, de la Universidad de Illinois, afirmaron que este procedimiento podría ser aplicable a todas las plantas conocidas entre los biólogos como C3; por ejemplo, el arroz y el trigo, por mencionar a las dos más relevantes en la alimentación humana.

Apenas una semana después, un el equipo de Xin-Xiang Peng de la Universidad de Agrícola del Sur de China, publicó en Cell los resultados de una investigación en la que, por un procedimiento similar, lograron obtener plantas de arroz más verdes, más grandes, con mayor eficiencia fotosintética y una productividad hasta 27% superior a la que tenían las plantas sin modificación.

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Los investigadores Don Ort, Paul South y Amanda Cavanagh ven cómo se desarrollan las plantas modificadas genéticamente en el campo y no solo en el laboratorio. Foto: Claire Benjamin, RIPE Project.

La ONU calcula que la población mundial actual, de 7,800 millones de personas, llegará a ser de 9,800 millones para 2050. Este crecimiento es inminente y ocurrirá incluso a pesar de que continúe disminuyendo la fertilidad a nivel mundial. Así que no es de extrañar que los investigadores se mostraran muy optimistas sobre el potencial que esta invención genómica tiene para solucionar el problema de desabasto alimenticio que ocurrirá.

Y claro que se antoja compartir este optimismo, y aunque hay muchas razones para hacerlo, también hay algunas para ponerse pesimista… Empecemos por entender el nuevo invento.

Un problema de miles de millones de años

La naturaleza es una gran inventora. Empezó con cosas sencillas pero poderosas: los tremendos reactores de fusión nuclear que son las estrellas. Y, al menos en el caso de uno de los subproductos de la formación de las estrellas, nuestro planeta, la naturaleza fue mucho más sutil e inventó la vida, que resultó en sí misma una fuerza creadora de inmensa inventiva.

Hace unos 2,800 millones de años, la vida sobre la Tierra inventó la fotosíntesis oxigénica, un mecanismo químico que permite aprovechar la energía de nuestro Sol para generar alimentos.

La fotosíntesis toma dióxido de carbono (CO2) del aire y, con la energía que obtiene de la luz solar, lo convierte, después de serie de complicadas reacciones, en moléculas de azúcar; sus productos de desecho son oxígeno y agua.

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Las cianobacterias “inventaron” la fotosíntesis hace unos 2,800 millones de años. En esta imagen vemos una estera bacteriana de Guerrero Negro, Baja California. Foto: WikiCommons, NASA.

 

Esta innovación resultó tan exitosa que, en apenas 300 millones de años, las cianobacterias “desecharon” tanto oxígeno que éste se hizo abundante en la atmósfera del planeta y esto condujo a la Catástrofe Oxigénica (o Gran Evento de Oxigenación): El oxígeno es un gas reactivo y tóxico, por lo que su abundancia condujo a la extinción de muchos organismos (algunos de los sobrevivientes se inventaron que podían respirarlo y dieron origen a la mayor parte de los seres vivos actuales).

El oxígeno se convirtió un problema incluso para los organismos fotosintéticos que lo generaban debido a que “confunde” a una enzima llamada RuBisCO, que es la encargada de capturar al CO2 para iniciar las reacciones fotosintéticas.

RuBisCO es bastante buena para distinguir al oxígeno (O2) del CO2, y lo prefiere por mucho. Sin embargo, la fotosíntesis ha sido tan exitosa que actualmente en la atmósfera hay 31 veces más O2 que CO2, por lo que muchas veces RuBisCO se confunde y, cuando toma O2, elabora una sustancia tóxica llamada glicolato.

Eliminar el glicolato le sale muy caro al organismo fotosintético; lo hace por medio de un proceso que recibe el pésimo nombre de fotorrespiración, el cual consume oxígeno, genera dióxido de carbono, amonio y consume energía metabólica.

Entre la confusión y el costoso esfuerzo de eliminar la toxina, la eficiencia de la fotosíntesis disminuye entre 20 y 50 por ciento. Como de todas formas la fotosíntesis es muy productiva, la naturaleza no ha solucionado este problema en 2,500 millones de años.

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Los estromatolitos, que se forman con la acumulación de esteras de cianobacterias, son los fósiles más antiguos que se conocen. El de la imagen tiene un millón de años. Foto: P. Carrara, National Park Service.

El invento que arregló el problema

Si la naturaleza es una gran inventora, nosotros no nos quedamos muy atrás. Para arreglar la disfunción de la fotosíntesis en el tabaco y el arroz, los investigadores encontraron varios caminos distintos.

El equipo de Cavanagh y South diseñó tres vías metabólicas para eliminar el glicolato. Para ello, injertó, en plantas de tabaco, genes de la bacteria Escherichia coli, de otras plantas y de algas verdes; además, puso un bloqueador de la ruta usual de la fotorrespiración en el tabaco. Una de esas vías metabólicas, permitió cultivar en campo plantas de tabaco hasta 40 por ciento más masivas que las que no tienen genes injertados.

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A la izquierda, una espiga de arroz sin modificar; a la derecha espigas de plantas modificadas genéticamente. Foto: Shen and Wang et al./Molecular Plant

Los experimentos del equipo de Xin-Xiang Peng son aun más impresionantes. En primer lugar, porque fueron hechos con un cultivo tan importante desde el punto de vista alimenticio como el arroz; pero también porque usaron genes de la propia planta de arroz para crear un bypass o puente en el interior de los organelos fotosintéticos o cloroplastos.

Este puente metabólico logró convertir el glicolato en CO2 y disminuir la fotorrespiración entre 18 y 31 por ciento. La fotosíntesis aumentó entre 15 y 22 por ciento, debido, sobre todo, a la mayor abundancia de CO2 en el cloroplasto…

Las plantas con el bypass genómico fueron consistentemente más grandes y más verdes; sin contar las raíces, la masa seca de las plantas fue entre 14 y 35% mayor. Pero lo más notable fue que los granos de arroz resultaron ser 100% más grandes y con más células.

Los investigadores chinos son cautelosos y esperan la confirmación de sus resultados, y no solo en lo que se refiere a las cifras: “Aunque no esperamos que esta manipulación afecte el sabor de las plantas -dice Peng-, tanto el valor nutricional como el sabor deberán ser evaluados por otros grupos de investigación y agencias gubernamentales”.

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Moraleja para México

“Hoy en día se producen alimentos más que suficientes para todos, pero todavía cerca de 821 millones de personas padecen hambre crónica”, asegura la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO por sus siglas en inglés).

También advierte que “una de cada tres personas en el planeta” está malnutrida; es decir, no tiene hambre, pero puede padecer problemas que van desde la obesidad hasta impedimentos cognitivos por un mal desarrollo del sistema nervioso debido a la falta de nutriente.

La situación es muy distinta a la que imperaba a mediados del siglo XX, cuando una revolución agrícola, en la que México tuvo un papel determinante, salvó a millones de personas de morir de inanición.

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México ahora está impedido no solo de protagonizar una segunda revolución verde y salvar al mundo, como ya lo hizo hace medio siglo, sino casi hasta de formar parte del esfuerzo; porque la nueva biotecnología agrícola no se basa tanto en los híbridos sino, como vimos al inicio de este texto, en los transgénicos, cuya investigación está, digamos, obstaculizada financiera y regulatoriamente en México (y en el caso del maíz están totalmente prohibidas las pruebas de campo).

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Cuatro plantas sin modificar (izquierda) crecen junto a cuatro plantas (derecha) “construidas” con rutas alternas para hacer su fotosíntesis 40% más eficiente. Foto: Claire Benjamin / RIPE Project.

Ciertamente, a nivel mundial el problema no es, todavía, aumentar la producción sino mejorar la distribución y optimizar los mercados, para que no existan esos 821 millones de hambrientos, a lo que habría que sumar la modificación de los hábitos alimenticios de la población y la regulación de la producción industrial de alimentos para erradicar la malnutrición.

Pero mientras la ingeniería genómica avanza veloz, la economía y las ciencias políticas que son en este momento urgentes lo hacen a un paso mucho más lento.

Aun así, plantas más productivas como las recién inventadas pueden ayudar a que los productores con pequeñas parcelas tengan mejores ingresos y en dedicar más espacios a la conservación de la biodiversidad sin afectar a los agricultores.

Y, bueno, aunque nos parezca lejano, el 2050 y sus 10,000 millones de personas van a llegar.

El texto original fue publicado en el semanario Eje Central, en versión impresa y digital, como “México salvaría al mundo pero…”.

Manuel Lino González

Manuel Lino González

Estudié biología, música y creación literaria. Encontré trabajo como periodista. Estaba en contacto con todo lo que me entusiasmaba y, sin embargo, algo me faltaba. Entonces me di cuenta de que no me gustaban las paredes, fueran las del periódico o las que decidimos que existen entre periodismo y literatura, entre artes y ciencias, entre público y creadores, entre amigos y enemigos… Ahora estoy en una publicación donde, si no las derrumbamos, al menos vamos a explorar qué tan sólidas son. Se llama Los Intangibles.