Diseñando nuevas rutas metabólicas

Las plantas son la base para la existencia de todas las formas de vida que hay sobre la tierra, ya que se encuentran en el primer nivel de la cadena alimenticia. Ellas capturan y asimilan el CO₂ directamente del ambiente para transformarlo en nutrientes, que son usadas como fuente de energía tanto por las plantas como por otros organismos. La forma como asimilan el CO₂ es a través del ciclo de Calvin-Benson siendo la enzima RUBISCO la principal responsable de este proceso. Este ciclo combina el carbón asimilado bioquímicamente con moléculas de agua para producir una variedad de compuestos orgánicos. Sin embargo, por el hecho de que este proceso haya estado sometido a una fuerte presión evolutiva, no quiere decir que sea el más eficiente.

Nuestro deseo siempre ha sido producir más con menos, hacerlo todo más eficiente. Hemos querido modificar las plantas cultivadas de manera que puedan producir más biomasa y alimentos con las mismas condiciones de cultivo. Para ello se han usado procesos de mejoramiento genético, se han desarrollo nuevos fertilizantes, se han usado promotores de crecimiento, y hasta se han insertando genes de otras especies para darles características especiales que no las podría obtener naturalmente. Un intento fue mejorar la eficiencia de asimilación del CO₂ para que la planta pueda asimilar más carbono del ambiente y pueda producir más compuestos orgánicos, sin embargo esto no ha podido ser posible aún.

Sin embargo, usando la magia de las biomatemáticas y la biología computacional, los investigadores han descubierto una nueva forma de crear rutas metabólicas más eficientes. En términos generales, este descubrimiento consiste en tomar partes diseñadas por la naturaleza, seleccionar las mejores y reconectarlas para crear nuevas rutas metabólicas más eficientes, con nuevas características y hasta con nuevas funciones, capaz de acabar con todas las necesidades del hombre.

Así que estos investigadores diseñaron algoritmos que podrían hacer combinaciones de las más de 5000 enzimas metabólicas conocidas por la ciencia. Por ejemplo, podríamos encontrar todas las enzimas relacionadas con la fijación del CO₂, seleccionar aquella que asimile la mayor cantidad de carbono con el menor consumo de energía y reconectarla con las otras enzimas envueltas en el proceso para generar una nueva ruta metabólica. Es como crear una nueva ruta metabólica desde cero, más conocido como biología sintética.

Al hacer este proceso se encontró una familia de reacciones químicas llevadas a cabo por ciertas enzimas que pueden generar una ruta metabólica artificial llamada: malonil-CoA-oxaloacetato-glioxilato (MOG, para abreviar), que podría ser de dos a tres veces más eficiente que el ciclo de Calvin-Benson. Aunque por ahora el ciclo MOG solo existe en los campos de cultivo de las computadoras (in silico), las enzimas relacionadas con esta ruta metabólica artificial puede ser encontrada en muchas especies de bacterias. Así que usando los principios de la biología sintética, se podría diseñar una bacteria capaz de realizar el ciclo MOG in vivo. Si se obtiene esta bacteria, por qué no pensar en hacerlo en tejidos vegetales.

La evolución pudo haber llegado a esta solución sin la introgresión del hombre; sin embargo, la madre naturaleza también tuvo que preocuparse por las plagas, la disponibilidad de nutrientes y agua, y otros factores que nuestros agricultores modernos lo tienen bajo control. Lo agricultores tratan de optimizar una cosa diferente de lo que la naturaleza trata de optimizar.

Vía Wired Science, PNAS.