De acuerdo con los estatutos del MIT, establecidos en 1861, parte de la misión del Instituto es promover el “desarrollo y la aplicación práctica de la ciencia en relación con las artes, la agricultura, las manufacturas y el comercio”. Hoy en día, el Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos de Abdul Latif Jameel (J-WAFS) es una de las fuerzas impulsoras detrás de la investigación relacionada con el agua y los alimentos en el campus, gran parte de la cual se relaciona con la agricultura. En 2022, J-WAFS estableció la Subvención del Gran Desafío de Agua y Alimentos para inspirar a los investigadores del MIT a trabajar hacia un futuro seguro para el agua y los alimentos para nuestro planeta cambiante. Al igual que los Grandes Desafíos Climáticos del MIT, el Gran Desafío J-WAFS busca aprovechar múltiples áreas de experiencia, programas y recursos del Instituto. La convocatoria inicial de declaraciones de intereses devolvió 23 cartas de investigadores del MIT que abarcan 18 departamentos, laboratorios y centros. J-WAFS organizó talleres para que los proponentes presentaran y discutieran sus ideas iniciales. Estos se redujeron a un conjunto más pequeño de documentos conceptuales invitados, seguido de la etapa de propuesta final.
Hoy, J-WAFS se complace en informar que la subvención inaugural J-WAFS Grand Challenge se ha otorgado a un equipo de investigadores dirigido por el profesor Matt Shoulders y el científico investigador Robert Wilson del Departamento de Química. Un panel de revisores expertos externos respaldó ampliamente su propuesta, que aborda un problema de larga data en la biología de los cultivos: cómo hacer que la fotosíntesis sea más eficiente. El equipo recibirá 1,5 millones de dólares durante tres años para facilitar un proyecto de investigación de varias etapas que combina innovaciones de vanguardia en biología sintética y computacional. Si tiene éxito, este proyecto podría generar importantes beneficios para la agricultura y los sistemas alimentarios en todo el mundo.
“Los sistemas alimentarios son una fuente importante de emisiones globales de gases de efecto invernadero y también son cada vez más vulnerables a los impactos del cambio climático. Por eso, cuando hablamos de cambio climático, tenemos que hablar de sistemas alimentarios y viceversa”, dice Maria T. Zuber, vicepresidenta de investigación del MIT. “J-WAFS es fundamental para los esfuerzos del MIT para abordar los desafíos entrelazados del clima, el agua y los alimentos. Este nuevo programa de subvenciones tiene como objetivo catalizar proyectos innovadores que tendrán un impacto real y significativo en el agua y los alimentos. Felicito al profesor Shoulders y al resto del equipo de investigación por ser los beneficiarios inaugurales de esta subvención”.
Shoulders trabajará con Bryan Bryson, profesor asociado de ingeniería biológica, así como con Bin Zhang, profesor asociado de química, y Mary Gehring, profesora del Departamento de Biología y del Instituto Whitehead de Investigación Biomédica. Robert Wilson del laboratorio Shoulders coordinará el esfuerzo de investigación. El equipo del MIT trabajará con los colaboradores externos Spencer Whitney, profesor de la Universidad Nacional de Australia, y Ahmed Badran, profesor asistente del Instituto de Investigación Scripps. También se llevará a cabo una colaboración basada en hitos con Stephen Long, profesor de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. El grupo está formado por expertos en evolución dirigida continua, aprendizaje automático, simulaciones de dinámica molecular, bioquímica vegetal traslacional y ensayos de campo.
“Este proyecto busca mejorar fundamentalmente la enzima RuBisCO que las plantas usan para convertir el dióxido de carbono en las moléculas ricas en energía que constituyen nuestros alimentos”, dice John H. Lienhard V, director de J-WAFS. “Este difícil problema es un verdadero gran desafío, demanda de amplios recursos. Con el apoyo de J-WAFS, este objetivo largamente buscado finalmente puede lograrse a través de la investigación de vanguardia del MIT”, agrega.
RuBisCO: No, no es un nuevo cereal para el desayuno; podría ser la clave para una revolución agrícola
Una población mundial en crecimiento, los efectos del cambio climático y los conflictos sociales y políticos como la guerra en Ucrania amenazan el suministro de alimentos, en particular los cultivos de cereales. Las proyecciones actuales estiman que la producción de cultivos debe aumentar al menos un 50 por ciento durante los próximos 30 años para satisfacer la demanda de alimentos. Una barrera clave para aumentar el rendimiento de los cultivos es una enzima fotosintética llamada ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa (RuBisCO). Durante la fotosíntesis, los cultivos utilizan la energía obtenida de la luz para extraer dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera y transformarlo en azúcares y celulosa para el crecimiento, un proceso conocido como fijación de carbono. RuBisCO es fundamental para capturar el CO2 del aire para iniciar la conversión de CO2 en moléculas ricas en energía como la glucosa. Esta reacción ocurre durante la segunda etapa de la fotosíntesis, también conocida como ciclo de Calvin. Sin RuBisCO, las reacciones químicas que representan prácticamente toda la adquisición de carbono en la vida no podrían ocurrir.
Desafortunadamente, RuBisCO tiene deficiencias bioquímicas. En particular, la enzima actúa lentamente. Muchas otras enzimas pueden procesar mil moléculas por segundo, pero RuBisCO en los cloroplastos fija menos de seis moléculas de dióxido de carbono por segundo, lo que a menudo limita la tasa de fotosíntesis de las plantas. Otro problema es que el oxígeno (O2) y las moléculas de dióxido de carbono son relativamente similares en forma y propiedades químicas, y RuBisCO no puede discriminar completamente entre los dos. La fijación involuntaria de oxígeno por RuBisCO conduce a la pérdida de energía y carbono. Además, a temperaturas más altas, RuBisCO reacciona incluso con mayor frecuencia con el oxígeno, lo que contribuirá a disminuir la eficiencia fotosintética en muchos cultivos básicos a medida que nuestro clima se calienta.
El consenso científico es que los enfoques de ingeniería genética y biología sintética podrían revolucionar la fotosíntesis y ofrecer protección contra las pérdidas de cultivos. Hasta la fecha, la ingeniería de cultivos RuBisCO se ha visto afectada por obstáculos tecnológicos que han limitado cualquier éxito en la mejora significativa de la producción de cultivos. De manera emocionante, las herramientas de ingeniería genética y biología sintética se encuentran ahora en un punto en el que pueden aplicarse y probarse con el objetivo de crear cultivos con vías biológicas nuevas o mejoradas para producir más alimentos para la población en crecimiento.
Un plan épico para combatir la inseguridad alimentaria
El proyecto 2023 J-WAFS Grand Challenge utilizará técnicas de ingeniería de proteínas transformadoras de última generación extraídas de la biomedicina para mejorar la bioquímica de la fotosíntesis, centrándose específicamente en RuBisCO. Shoulders y su equipo planean construir lo que ellos llaman la plataforma de fotosíntesis mejorada en cultivos (EPiC). El proyecto evolucionará y diseñará mejores cultivos RuBisCO en el laboratorio, seguido de la validación de las enzimas mejoradas en las plantas, lo que finalmente dará como resultado el despliegue de RuBisCO mejorado en ensayos de campo para evaluar el impacto en el rendimiento de los cultivos.
Varios desarrollos recientes hacen posible la ingeniería de alto rendimiento del cultivo RuBisCO. RuBisCO requiere una compleja red de acompañantes para su correcto montaje y funcionamiento en las plantas. Las chaperonas son como ayudantes que guían a las proteínas durante su proceso de maduración, protegiéndolas de la agregación mientras coordinan su correcto ensamblaje. Wilson y sus colaboradores desbloquearon previamente la capacidad de producir RuBisCO vegetal de forma recombinante fuera de los cloroplastos vegetales al reconstruir esta red de chaperonas en Escherichia coli (E.coli). Whitney ahora ha establecido que las enzimas RuBisCO de una variedad de cultivos relevantes para la agricultura, como la papa, la zanahoria, la fresa y el tabaco, también se pueden expresar mediante esta tecnología. Whitney y Wilson han desarrollado aún más una gama de RuBisCO-dependiente E. coli pantallas que pueden identificar RuBisCO mejorado a partir de bibliotecas genéticas complejas. Además, Shoulders y su laboratorio han desarrollado sofisticadas tecnologías de mutagénesis in vivo que permiten campañas eficientes de evolución dirigida continua. La evolución dirigida continua se refiere a un proceso de ingeniería de proteínas que puede acelerar los pasos de la evolución natural simultáneamente en un ciclo ininterrumpido en el laboratorio, lo que permite realizar pruebas rápidas de secuencias de proteínas. Si bien Shoulders y Badran tienen experiencia previa con plataformas de evolución dirigida de vanguardia, esta será la primera vez que se aplica la evolución dirigida a RuBisCO desde las plantas.
La inteligencia artificial está cambiando la forma en que los investigadores emprenden la ingeniería de enzimas. Los investigadores principales, Zhang y Bryson, aprovecharán los métodos computacionales modernos para simular la dinámica de la estructura de RuBisCO y explorar su panorama evolutivo. Específicamente, Zhang usará simulaciones de dinámica molecular para simular y monitorear la dinámica conformacional de los átomos en una proteína y su entorno programado a lo largo del tiempo. Este enfoque ayudará al equipo a evaluar el efecto de las mutaciones y las nuevas funcionalidades químicas en las propiedades de RuBisCO. Bryson empleará inteligencia artificial y aprendizaje automático para buscar secuencias óptimas en el panorama de actividad de RuBisCO. Los brazos computacional y biológico de la plataforma EPiC trabajarán juntos para validar e informar los enfoques de cada uno para acelerar el esfuerzo de ingeniería general.
Shoulders y el grupo implementarán sus enzimas diseñadas en plantas de tabaco para evaluar sus efectos sobre el crecimiento y el rendimiento en relación con RuBisCO natural. Gehring, un biólogo de plantas, ayudará con la detección de variantes mejoradas de RuBisCO utilizando la variedad de tabaco. Nicotiana benthamianaI, donde se puede implementar la expresión transitoria. La expresión transitoria es un enfoque rápido para probar si las nuevas variantes de RuBisCO diseñadas por ingeniería pueden sintetizarse correctamente en los cloroplastos de las hojas. Las variantes que pasen este punto de control de calidad en el MIT se pasarán al Laboratorio Whitney de la Universidad Nacional de Australia para su transformación estable en Nicotiana tabacum (tabaco), lo que permite mediciones sólidas de la mejora fotosintética. En un paso final, el profesor Long de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign realizará pruebas de campo de las variantes más prometedoras.
Incluso pequeñas mejoras pueden tener un gran impacto
Una crítica común a los esfuerzos por mejorar RuBisCO es que la evolución natural aún no ha identificado una enzima mejor, lo que posiblemente implica que no se encontrará ninguna. Los puntos de vista tradicionales han especulado una compensación catalítica entre el factor de especificidad de RuBisCO para CO2 /O2 contra su CO2 eficiencia de fijación, lo que lleva a la creencia de que las mejoras del factor de especificidad podrían compensarse con una fijación de carbono aún más lenta o viceversa. Se ha sugerido esta compensación para explicar por qué la evolución natural ha sido lenta para lograr un mejor RuBisCO. Pero Shoulders y el equipo están convencidos de que la plataforma EPiC puede desbloquear importantes mejoras generales para la planta de RuBisCO. Esta opinión está respaldada por el hecho de que Wilson y Whitney han utilizado previamente la evolución dirigida para mejorar el CO2 la eficiencia de fijación en un 50 por ciento en RuBisCO de cianobacterias (los antiguos progenitores de los cloroplastos de las plantas) al mismo tiempo que aumenta el factor de especificidad.
Los investigadores de EPiC anticipan que sus variantes iniciales podrían generar aumentos del 20 por ciento en el factor de especificidad de RuBisCO sin afectar otros aspectos de la catálisis. Variantes más sofisticadas podrían sacar a RuBisCO de su trampa evolutiva y mostrar atributos que actualmente no se observan en la naturaleza. “Si logramos algo cercano a tal mejora y se traduce en cultivos, los resultados podrían ayudar a transformar la agricultura”, dice Shoulders. “Si nuestros logros son más modestos, aún atraerá nuevas inversiones masivas a este campo esencial”.
La ingeniería exitosa de RuBisCO sería una hazaña científica en sí misma y encendería un renovado entusiasmo por mejorar la planta de CO2 fijación. En combinación con otros avances en la ingeniería fotosintética, como un mejor uso de la luz, se podría lograr una nueva revolución verde en la agricultura. Los impactos a largo plazo del éxito de la tecnología se medirán en las mejoras en el rendimiento de los cultivos y la disponibilidad de granos, así como en la resiliencia frente a las pérdidas de rendimiento bajo temperaturas de campo más altas. Además, la mejora de la productividad de la tierra junto con iniciativas políticas ayudaría a reducir la huella ambiental de la agricultura. Con más “cosecha por gota”, las reducciones en el consumo de agua de la agricultura serían un gran impulso para las prácticas agrícolas sostenibles.
“Nuestro equipo colaborativo de bioquímicos y biólogos sintéticos, biólogos computacionales y químicos está profundamente integrado con biólogos de plantas y expertos en ensayos de campo, lo que genera un circuito de retroalimentación sólido para la ingeniería de enzimas”. Hombros agrega. “Juntos, este equipo podrá hacer un esfuerzo concertado utilizando las técnicas más modernas y de vanguardia para diseñar cultivos RuBisCO con miras a ayudar a obtener ganancias significativas para asegurar un suministro estable de cultivos, con suerte con las mejoras que lo acompañan en tanto la seguridad alimentaria como la del agua”.