La fotosíntesis C4, de alto rendimento

Hay tres tipos de fotosíntesis en las plantas:

- Fijación del carbono C3.

- Fijación del carbono C4

- Fotosíntesis CAM.

Estos difieren en la vía que el CO₂ sigue en el ciclo de Calvin. Las plantas C3 fijan el carbono directamente. Las plantas C4 y CAM incorporan el CO₂ en otros compuestos, como una adaptación para soportar mejor la luz solar intensa y la sequía. Hay plantas que se adaptan a las condiciones de sequía, y dejan el proceso C3 para pasar al ciclo CAM (muy parecido al C4). Por ejemplo, Mesembryanthemum crystallinum usa el ciclo C3 en condiciones normales de no estrés, pero cambia al ciclo CAM para sobrevivir.

En el ciclo Calvin se integran y convierten moléculas inorgánicas de CO₂ en moléculas orgánicas sencillas, a partir de las cuales se formará el resto de los compuestos bioquímicos que constituyen los seres vivos. Este proceso también se puede denominar asimilación del carbono.

1ª fase del ciclo Calvin: La luz solar (energía) incorpora el CO₂ a la RuBP con la ayuda de una enzima. La incorporación es directa.

Para fijar el CO₂ atmosférico hace falta una enzima: RubisCO. RubisCO es la ribulosa bifosfato carboxilasa-oxigenasa. Es la enzima más abundante de la Naturaleza. El CO₂ y RuBP forman directamente una molécula de 6 carbonos, pero al ser inestable termina por separarse en dos moléculas de 3 carbonos, el 3-fosfoglicerato.

La triosafosfato es la base a partir de la cual se formen el resto de azúcares (como la fructosa y glucosa), oligosacáridos (como la sacarosa o azúcar de caña) y polisacáridos (como la celulosa y el almidón). También a partir de estos azúcares se formarán directa o indirectamente las cadenas de carbonos, que componen el resto de biomoléculas, que constituyen los seres vivos (lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc.).

Durante años se pensó que el ciclo Calvin era independiente de la luz, pero ahora sabemos que tanto la actividad de la RubisCO, como de otras enzimas clave del ciclo, son reguladas por la luz, y se desactivan en condiciones de oscuridad. Cuando la planta C3 cierra los estomas, para no perder agua, no puede entrar en la hoja el CO2 atmosférico. Entonces la RubisCO reacciona con el oxígeno, en vez de reaccionar con el CO2. A eso llamamos fotorrespiración, una disminución de carbono fijado.

Con temperaturas relativamente altas disminuye la tasa de fotosíntesis, que es una medida de la capacidad de la planta para asimilar el CO₂. Las plantas C3 aparecieron en las eras Mesozoica y Paleozoica. Con su respiración pierden el 97% del agua absorbida por las raíces. Como ejemplo: el arroz y la cebada.

Las plantas C3 no pueden crecer en zonas cálidas, porque la RuBisCO incorpora en la RuBP más oxígeno a medida que aumenta la temperatura. Esto provoca la fotorrespiración, una pérdida de carbono y nitrógeno de la planta, y por tanto, limita el crecimiento. La relación CO₂/O₂ disminuye.

Al cultivar en un mismo ambiente, a 30 °C hierbas C3 y hierbas C4, se observa que mientras las hierbas C3 pierden aproximadamente 833 moléculas de agua por cada molécula de CO₂ fijado, las yerbas C4 pierden solamente 277 moléculas de agua por molécula de CO2 fijada. Las plantas C4 usan el agua más eficientemente, conservan la humedad del suelo, y colonizaron las tierras áridas.

Las C4 aparecieron durante el Oligoceno, hace 25-32 millones de años, luego durante el Mioceno, hace 6-7 millones de años, se convirtieron en un grupo ecológico importante.

La enzima que usan es la PEP carboxilasa (fosfoenolpiruvato carboxilasa), que convierte el fosfoenolpiruvato (compueto de 3 carbonos) en oxalacetato (compuesto de 4 carbonos). A partir del oxalacetato se produce malato, es una enzima activada por la luz. Se encuentra en los cloroplastos de las Plantas C4. El malato incorpora a la planta el carbono de la fotosíntesis. Es un procedimiento indirecto, diferente del de las plantas C3.

Se conocen algunas pocas especies que funcionan con un proceso C4 limitado, por ej.: Suaeda aralocaspica, y otras especies que habitan zonas áridas, salinas, en Asia. Estas excepciones pueden hacer más fácil la conversión de C3 en C4. Es un problema de ingeniería genética. La molécula aceptora es el ácido fosfoenolpirúvico, y la enzima que actúa es la fosfoenolpiruvato carboxilasa.

A Partir del ácido fosfoenolpirúvico y del CO₂ se genera el ácido oxalacético. Este ácido se transforma en málico, el cual pasa a los cloroplastos propios de las células internas. En éstos se libera el CO₂, y continúa el ciclo de Calvin, como en las plantas C3.

Pertenecen al grupo C4 el maíz, la caña de azúcar, la mala hierba grama (Cynodon dactylon), el sorgo y el amaranto.

CAM es una abreviación de la expresión inglesa Crassulaceam Acidic Metabolism. Poseen el metabolismo ácido de las Crasuláceas. Se trata de plantas crasas o suculentas, en condiciones desérticas, sometidas a una intensa iluminación y a un déficit hídrico permanente. Plantas adaptadas a una aridez extrema. Sus estomas se abren durante la noche, para evitar en la medida de lo posible, la pérdida de agua por transpiración. Fijan el CO₂ en la oscuridad. Las plantas CAM no presentan interés industrial, su biomasa es ínfima.

Luego vendrá la nueva semilla de soja, que producirá más aceite que la actual. Y algodón resistente a la sequía, y cereales que usen con más eficiencia el Nitrógeno. Syngenta, Du Pont y Bayer Crop Science se han sumado a la investigación.

No hacen más que imitar la evolución de la naturaleza en dotar del mecanismo C4 a ciertas plantas C3. No podemos reprocharles nada. Los gobiernos legislan sobre los alimentos transgénicos, precisamente porque son necesarios. Hacen falta mejores cosechas con menos agua. ¿Tan difícil es añadir un gen de una célula donante al genoma de una célula receptora, un cereal?

Recordemos algo elemental: desde principios de los años 70 disponemos de herramientas moleculares, que permiten cortar el ADN. Se llaman enzimas de restricción, y cortan el ADN en zonas específicas del genoma. Además disponemos de otras enzimas llamadas Ligasas ADN, que permiten pegar trozos de ADN cortados. Por lo tanto podemos cortar el genoma de una célula donante con un determinado enzima de restricción, tomar el fragmento de ADN que contenga el gen que buscamos, y pegarlo en el genoma de la célula receptora, formando un ADN recombinante.

Durante miles de años el biotecnólogo de alimentos estuvo limitado en sus labores de selección por los cruces sexuales. Siempre y cuando dispongamos de los genes, podemos expresar los de una especie en otra. Necesitamos usar de un método de transformación genética que permita introducir ADN foráneo.

En el caso de los vegetales (cereales) no es una labor sencilla, ya que las células vegetales están recubiertas de una gruesa capa de celulosa y hemicelulosa, llamada pared celular, que actúa como una barrera impidiendo la entrada del ADN exógeno. Para introducirlo usamos una bacteria: Agrobacterium tumefaciens. Con ella saltamos la barrera de la pared celular. Desgraciadamente algunas variedades vegetales comestibles, como la banana, el maíz, o el trigo no aceptan el Agrobacterium. En estos casos se utilizan enzimas líticos, que degradan la celulosa y la hemicelulosa.

Copiar, cortar y coser. La sastrería genética es un arte que requiere el uso de centenares de herramientas: son proteínas enzimáticas (enzimas) que catalizan reacciones químicas en la célula viva. En los tiempos heroicos el sastre tenía que prepararse sus propias herramientas, pero hoy se compran en el comercio, que las ofrece en catálogos muy extensos. Comercializar un alimento transgénico requiere una autorización del gobierno. Es un alimento seguro.

Es urgente lograr mejores cosechas con menos agua, para alimentar a una población mundial en aumento. Las especies vegetales C3 que nos sirven de alimento requieren demasiada agua. Conseguir su conversión a C4 es una meta difícil, pero asequible, no es una quijotada.

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