Por medio de la fotosíntesis, las plantas pueden disponer de una fuente de energía segura y estable, que necesitan para su crecimiento y desarrollo (Combustible para la vida, Energía solar). También pueden acumular energía para no detener su metabolismo, aún en la ausencia de irradiación solar, como sucede durante las horas de la noche. Para ello se las arreglan guardando reservas energéticas en forma de almidones. Estos mismos son las que también han servido como fuente de calorías y nutrientes para la alimentación de los animales. Ellos, al consumir vegetales, aprovechan sus minerales y nutrientes que necesitan para su metabolismo y muy especialmente, estructuras químicas preformadas por la planta, que no pueden sintetizar, como son algunos aminoácidos, lípidos, y vitaminas.

Es la fotosíntesis, la que ha permitido, no solo la biodiversidad vegetal, sino también el desarrollo de la evolución animal. Sin ella, no hubiese existido la vida como hoy la conocemos, ya que la Tierra tendría una atmosfera primitiva inadecuada; muy pobre en oxígeno y demasiado rica en CO2. En el comienzo de los tiempos sólo pudieron existir algunos microbios primitivos, diluidos en una sopa primordial del CO2 y minerales. Gracias a la fotosíntesis, las plantas iniciaron la captura de CO2 y la liberaron de oxígeno (Acerca de la fotosíntesis en las plantas), llegando a construir en el pasar de los tiempos, la composición de una atmósfera que paulatinamente fue permitiendo el desarrollo de la vida unicelular y luego la vida compleja multicelular, todo ello en una sucesión de etapas evolutivas. (Evolución de la fotosíntesis). En definitiva, tanto hoy como ayer, de la fotosíntesis de las plantas depende la dinámica del sistema ecológico, y más específicamente, toda la producción de alimentos para los animales y también para los seres humanos.

Si aceptamos que el perfeccionamiento de la fotosíntesis demoró miles de millones de años, resulta ahora sorprendente lo que afirman los investigadores, en el sentido que la "fotosíntesis es ineficiente y que se podría mejorar" para así incrementar la producción de alimentos. Si ello es cierto, bien venido sea el hallazgo, ya que la humanidad necesita ahora, más que nunca, incrementar la producción de alimentos.

Resultaría curioso que en miles de millones de años de evolución, la fotosíntesis no hubiese logrado optimizar su eficiencia. Es que el proceso, para entenderlo, hay que analizarlo desde el punto de vista de las plantas. Como lo señala Don Ort, investigador de la Universidad de Illinois, "las plantas no evolucionan para optimizar su rendimiento, sino para asegurar su sobrevida". Eso lo han logrado muy exitosamente. Somos nosotros a los que ahora nos interesa que incrementen su rendimiento para incrementar la producción alimentaria (NewScientist, Septiembre 2012, p. 41). Ello no parece una meta inalcanzable, ya que es evidente que en algunas plantas la fotosíntesis es más eficiente que en otras. Ya son varios los investigadores que están tratando de imitar a aquellas. De esta forma, se podría incrementar la producción de granos de trigo y maíz. Las primeras experiencias en el laboratorio han logrado algunos avances esperanzadores. Durante los últimos tiempos hemos sido testigos de un crecimiento explosivo de la población mundial, llegando en la actualidad a los 7 mil millones de habitantes, y se espera que para el año 2050 se continúe incrementando, estimándose que para esa fecha, llegaremos a superar los 9 mil millones (La explosión demográfica). Si bien es cierto que hasta ahora, contrariamente a lo afirmado por Malthus, la producción de alimentos ha seguido al crecimiento vegetativo poblacional, e incluso lo ha ido sobrepasando, se ve difícil de que esa tendencia se mantenga en el tiempo, como para llegar a satisfacer las necesidades de esos futuros 9 mil millones de habitantes (Expectativas de alimentación para el siglo XXI).

Por dónde va la cosa

Si se pudiera incrementar la eficiencia de la fotosíntesis, y con ello incrementar la producción de alimentos, sería la solución ideal, ya que los recursos necesarios de tierra y agua, necesarios para incrementar la producción convencional, parecen ya estar casi agotados. En 1960 la llamada "Revolución Verde" logró, seleccionando semillas que tenían la propiedad de captar selectivamente la luz para transferirla preferentemente a las uniones químicas de azúcar y almidones, incrementando así las partes alimenticias de la planta. En ese entonces, por selección genética, se logró que tanto la planta de trigo como la de arroz, produjeran un tallo mas corto, desviando la energía de la fotosíntesis hacia el mayor desarrollo de la semilla (Que la ciencia solucione las necesidades humanas). Pero avances tecnológicos como este, ya parecen haber dado todo lo que podían dar, ya que las variedades logradas no permiten desviar más energía de los tallos a la producción de granos, porque si así fuera, este no sería capaz de mantener erguida la planta hasta la cosecha.

En cambio parece atractivo lograr que las hojas de las plantas fuesen más eficientes en el proceso de la fotosíntesis, y ello si parece alcanzable. Las plantas durante el complejo proceso de fotosíntesis realizan más de 100 etapas químicas intermedias, interviniendo diversas enzimas específicas en cada una de ellas. Muy especialmente, para captar el CO2 atmosférico, disponen de una enzima llamada "rubisco", que "parece ser la más apática enzima que se conoce", según dice Don Ort, que ha estado trabajando en el tema. De hecho, la mayor parte de las enzimas son capaces de catalizar miles de reacciones químicas por segundos, pero rubisco sólo cataliza algunas reacciones, que son las que comprometen a moléculas gaseosas, las mas difíciles de manejar. Sin bien la enzima es lenta, en compensación, las plantas producen una enorme cantidad de ella. Rubisco es las abundante proteína (enzima) en las plantas (RubisCO, es el apócrifo de la enzima ribulosa-1-5 bifosfato carboxilosa oxigenaso, cuya función es fijar el CO2 a una estructura orgánica y también oxigenar al mismo sustrato).

Su lentitud no es su único problema. Rubisco es muy propensa a cometer errores. El complejo mecanismo de las moléculas orgánicas de la fotosíntesis, que lleva a la producción de azucares, comienza por fijar el CO2 atmosférico. Para ello rubisco utilizando la energía capturada por la clorofila, agrega el CO2 a una molécula que contiene 5 átomos de carbono, resultando con ello, dos moléculas de 3 carbones (ver el diagrama). Pero algunas veces rubisco, en lugar de fijar CO2 a dicha molécula, fija en ellas oxígeno, lo que resulta en una molécula, no deseada, de dos carbones (ver diagrama). El error no significa solo una pérdida de energía, sino que también lleva a una pérdida neta de una molécula de CO2.

En el comienzo de los tiempos, hace dos millones de años, rubisco no podía cometer este error, ya que no existía suficiente oxígeno atmosférico. Pero ahora la atmósfera es rica en oxígeno y pobre en CO2, lo que explica que rubisco se muestre propenso a cometer el error de fijar oxígeno a la molécula de cinco carbones, gatillando un proceso derrochador, conocido como fotorespiración. En teoría, la energía de ocho fotones debiera ser suficiente para captar una molécula de CO2, pero en la práctica no lo es, porque para ello necesita 13 fotones, los que se pierden durante la fotorespiración.

De este modo, el camino mas obvio para mejorar la fotosíntesis sería obligando a rubisco a hacer su trabajo más rápido y bien hecho, es decir, que no cometa el error de fijar oxigeno. Pero esto es fácil de decir, pero difícil de lograr. "La evolución ha tenido billones de años para hacerlo y no lo ha conseguido, ya que no era su objetivo de sobrevida", dice Julián Hibbert, de la Universidad de Cambridge. En la actualidad, mucho se ha tratado de corregir este defecto, pero cada vez que los investigadores han tratado que rubisco sea mas selectivo en su función, porfiadamente parece ponerse mas lento.'

En el hecho, no está claro como esta enzima podría mejorarse. Algunos afirman que rubisco, en la actualidad, es tan eficiente como puede ser, y que hoy por hoy, el apurarlo no sería tan fácil. Sin embargo, algunas plantas han logrado compensar la lentitud de nabisco. Es así como durante los últimos 30 millones de años, en la medida que el CO2 atmosférico ha ido descendiendo, algunas plantas han ido evolucionando hacia una solución propia. Es así como han logrado capturar y concentrar el CO2, tratando de recrear la atmósfera del pasado, rica en CO2. En estas plantas la fotosíntesis tiene lugar en células enclaustradas alrededor de las venas de las hojas. Ellas están rodeadas por una capa de células, que en lugar de contener rabisco, contienen otras enzimas que fijan moléculas de CO2 a un azúcar de 3 carbones (triosas). La resultante molécula de 4 carbones (C4), es transportada al interior de células que contienen nabisco. Es allí se libera el CO2 (ver parte baja de la figura) (Cloroplasto y pared celular), (Los cloroplastos como transformadores de energía).

Ahorrando Energía

Aún cuando concentrar el CO2 en esta forma tiene un mayor costo en energía, en definitiva se ahorra mucho más, al reducir la pérdida de la fotorespiración. Así, el proceso llamado fotosíntesis C4, en que molécula de 4 carbones transportan el CO2, lo que es mucho mas eficiente que la fotosíntesis normal "C3". Cosechas C3, como el trigo y el arroz, producen 11 toneladas de grano por hectárea, mientras que las C4, como es el maíz, puede producir más de 18 toneladas. De este modo el CO2 extra, sale a la atmósfera, reduciendo la fotorespiración y potenciando el crecimiento de plantas C3. Las ventajas del proceso ha despertado el interés del Centro Internacional del Maíz y del Trigo (CIMMYT), que ha estado tratando de formar un consorcio de investigadores con el objetivo de llegar a cambiar el proceso en el trigo, de una fotosíntesis de C3, a C4. Sin embargo nadie piensa que esto vaya a ser fácil. No es un problema de manipulación genética en que se le puedan agregar unas pocas enzimas a las plantas C3. Esto ya ha sido ensayado en arroz y si bien en el laboratorio algunos resultados han sido positivos, ello ha fracasado al llevarlo a las plantas.

Pero hay otra posibilidad. El hecho es que para que la fotosíntesis C4 funcione, "tiene que mantenerse a rubisco en compartimentos separados" dice Rowan Sage, de la Universidad de Toronto en Canadá. En otras palabras, el convertir las plantas de C3 a C4, no solo es cuestión de enzimas que capturen y concentren el CO2, sino también, de un reajustar estructuras de las células en las plantas para que funcionen como C4, lo que se conoce como anatomía Kranz. Aquí entra la manipulación genética. "En este proceso sería mas fácil cambiar el trigo que el arroz a C4", según afirma Mattew Reynolds, jefe de Fisiopatología del Trigo del CIMMYT. Esto porque la mayor parte de las cepas de trigo tienen seis copias de su genoma, a diferencia de dos, que es lo normal. "Se puede manipular más genes, sin temor de echar a perder algo vital", señala Reynolds.

Por otra parte, los investigadores de arroz, no han perdido el tiempo. En el año 2008, el Instituto Internacional de Investigación de Arroz (IRRI), ha estado bombardeando semillas de sorgo (un grano C4), con rayos gama, para ver si de ello resultan mutantes parcialmente revertidas a la síntesis C3. Son varios los grupos de investigadores que tratan de inducir cambios genéticos que permitan provocar el cambio en varios tipos de semillas. También se han estado tratando de ensayar otras posibilidades. "Hay algunos puntos del ciclo fotosintético en que incrementando la eficiencia, se logran mejorías en las cosechas", dice Christine Raines, de la Universidad de Essex en Inglaterra. Así por ejemplo, algunas bacterias fotosintéticas han evolucionado a vías más ahorrativas, reciclando compuestos de 2 carbonos producidos por fotorespiración. Agregando estas bacterias a plantas, crecen más rápido y con más biomasa (Nature Biotechnology, vol. 25, p 593). Muchos otros ensayos se están realizando, que al menos teóricamente tienen buenas posibilidades de mejorar la fotosíntesis. Es probable que en un futuro cercano lleguen resultados favorables para producir así otra Revolución Verde, como la del año 1960.

También se ha pensado lograr una planta con rubisco extraño. Pero la enzima es compleja, estando constituida por ocho grandes proteínas codificada por el genoma del cloroplasto, y otras ocho pequeñas proteínas, codificadas por genes del núcleo de la célula: Todas ellas deben combinarse para llegar a construir una proteína tan especial. El proceso requiere de una proteína chaperona que ordene la estructuración de este cómodo y tan especial rubisco. ¡Es todo un desafío! Sin embargo Ort, está optimista y prepara un grant para conseguir financiamiento. Ojalá que él u otros tengan éxito, ya que el tiempo apremia frente a las perspectiva de incremento poblacional para el año 2050.

*Para saber más, ver trabajo de Débora Mackenzie, publicado en New Scientist, 11 Septiembre, 2010, pág 40.