Uma equipe internacional de cientistas descobriu uma estratégia molecular surpreendente usada por um grupo de plantas terrestres raras. A descoberta poderá um dia ajudar os investigadores a redesenhar culturas importantes, como o trigo e o arroz, para que convertam a luz solar em alimentos de forma mais eficiente.
A pesquisa foi liderada por cientistas do Instituto Boyce Thompson (BTI), da Universidade Cornell e da Universidade de Edimburgo. Resolve uma grande limitação na agricultura envolvendo a 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 grande falha. Esta enzima tem ação lenta e interage facilmente com o oxigênio em vez do dióxido de carbono, desperdiçando energia e tornando o crescimento das plantas menos eficiente.
“A Rubisco é indiscutivelmente a enzima mais importante da Terra porque é o ponto de entrada para quase todo o carbono dos alimentos que comemos”, disse o professor associado do BTI, Fay-Wei Li, que co-liderou o estudo. “Mas é lento e facilmente distraído pelo oxigênio, o que desperdiça energia e limita a eficiência do crescimento das plantas”.
Com o tempo, alguns organismos desenvolveram maneiras de superar essa ineficiência. Por exemplo, muitos tipos de algas colocam a Rubisco dentro de pequenas estruturas chamadas nucleóides dentro de suas células. Esses minúsculos compartimentos concentram dióxido de carbono ao redor da enzima, permitindo que ela opere com mais eficiência.
Há muito que os investigadores pretendem introduzir este tipo de sistema de concentração de carbono nas culturas alimentares, que naturalmente não contêm nucóides. No entanto, a transferência de maquinaria complexa das algas para as plantas terrestres revelou-se extremamente difícil.
Plantas Snapdragon revelam estratégias inesperadas
A descoberta ocorreu quando os cientistas examinaram os snapdragons, as únicas plantas terrestres conhecidas por conterem câmaras de concentração de carbono semelhantes às das algas. Como as antóceros estão mais relacionadas evolutivamente às culturas do que às algas, os investigadores suspeitam que as suas ferramentas moleculares podem ser mais facilmente transferíveis.
O que eles descobriram acabou sendo bem diferente do que esperavam.
“Nós levantamos a hipótese de que a erva-calau usa algo semelhante às algas – uma proteína separada que une a Rubisco”, disse Tanner Robison, um estudante de graduação que trabalha com Lee e co-autor 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 é composta de fragmentos grandes e pequenos de proteínas. Na erva-calau, um pequeno componente inclui uma porção extra chamada zona STAR.
Esta cauda extra se comporta como velcro molecular. Faz com que as proteínas Rubisco se unam e formem aglomerados dentro das células.
Para determinar se o STAR poderia funcionar em outras plantas, os pesquisadores realizaram vários experimentos. Eles introduziram pela primeira vez o componente RbcS-STAR em uma espécie intimamente relacionada de erva-calau que não forma pirenóides naturalmente. Após a mudança, a Rubisco deixa de estar presente em toda a célula e passa a formar uma estrutura centralizada que lembra um pirenóide.
Os cientistas testaram então a mesma ideia em Arabidopsis thaliana, planta amplamente utilizada em pesquisas de laboratório. A Rubisco é novamente concentrada em compartimentos densos dentro do cloroplasto.
“Até tentamos anexar a cauda STAR à Rubisco nativa em Arabidopsis, e isso desencadeou o mesmo efeito de agregação”, disse Alistair McCormick, professor da Universidade de Edimburgo que co-liderou o estudo. “Isso nos diz que o STAR é realmente a força motriz. É uma ferramenta modular que funciona em diferentes sistemas de fábrica.”
Maneiras potenciais de obter colheitas mais eficientes
O facto deste mecanismo funcionar em diferentes espécies de plantas torna esta descoberta particularmente importante para a agricultura. Isto sugere que os cientistas podem ser capazes de desencadear a agregação de Rubisco nas culturas simplesmente adicionando este componente universal de Velcro.
No entanto, os investigadores sublinham que ainda é necessário fazer mais trabalho. Além de coletar Rubisco, as plantas devem fornecer dióxido de carbono às enzimas de maneira eficiente.
“Construímos uma casa Rubisco, mas a menos que atualizemos o HVAC, não será uma casa eficiente”, disse Laura Gunn, professora assistente da Universidade Cornell que co-liderou o estudo. A equipe agora está trabalhando duro para enfrentar esse desafio.
Um passo em direção a uma produção alimentar mais sustentável
Mesmo assim, a descoberta representa um avanço importante para a melhoria da fotossíntese. Mesmo pequenas melhorias na eficiência da fotossíntese podem aumentar o rendimento das colheitas 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 de forma sustentável mais alimentos para uma população global crescente.
“Este estudo mostra que a natureza testou soluções com as quais podemos aprender”, disse Li. “Nosso trabalho é compreender essas soluções o suficiente para aplicá-las onde são mais necessárias – nas culturas que alimentam o mundo.”
O estudo, publicado na revista Science, também contribuiu igualmente para quatro cientistas em início de carreira: Tanner A. Robison, Yuwei Mao, ZhenGuo Oh e Warren SL Ang. Os autores correspondentes são Laura H. Gunn, Alistair J. McCormick e Fay-Wei Li.
