Las microalgas transgénicas son más eficientes en la fotosíntesis

Científicos del Los Alamos National Laboratory, en Estados Unidos, desarrollan cepas de organismos vegetales que aprovechan mejor la luz solar que las silvestres

Por Elton Alisson

Agência FAPESP – Los expertos apuntan a las microalgas como potenciales materias primas destinadas a la producción de biodiésel y otros productos químicos, toda vez que presentan grandes índices de acumulación de biomasa y de aceite, y crecen entre dos y diez veces más rápido que las plantas terrestres.

Uno de los retos cuando se apunta a que estos organismos se conviertan en una alternativa comercialmente factible para la producción de biodiésel consiste en aumentar su eficiencia fotosintética, que es entre dos y tres veces inferior al potencial del vegetal.

“El aumento de la tasa de fotosíntesis de microalgas para la producción de biodiésel se ha convertido en una cuestión crucial en la investigación en el área de biocombustibles”, declaró Angela Pedroso Tonon, investigadora de la división de Biociencias del Los Alamos National Laboratory, de Estados Unidos, a Agência FAPESP.

“Al aumentar la capacidad de absorción de energía solar de esos organismos, es posible elevar la fijación de CO2 [dióxido de carbono] y producir una mayor cantidad de moléculas orgánicas, tales como carbohidratos. Esos carbohidratos pueden transformarse en proteínas, aminoácidos y fundamentalmente aceites”, explicó la investigadora, quien realizó su maestría y su doctorado con beca de la FAPESP.

Un grupo de científicos del centro de investigación en microalgas del laboratorio perteneciente al Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés) –del cual Tonon es integrante desde hace tres meses– desarrolló y está cultivando cepas de microalgas genéticamente modificadas capaces de realizar la fotosíntesis con mayor eficiencia que organismos silvestres (que no han sufrido alteraciones genéticas).

Los resultados del estudio se dieron a conocer en un artículo publicado en la revista Algal Research, y Tonon los presentó en el marco de una conferencia dictada en octubre pasado en la Advanced School on the Present and Future of Bioenergy, en la Universidad de Campinas (Unicamp), en Brasil.

“Los resultados de la comparación de las cepas de microalgas genéticamente modificadas con las silvestres indicaron que las primeras exhibieron un mejor desempeño fotosintético y una mayor tasa de crecimiento que las cepas que no estaba modificadas genéticamente”, afirmó Tonon.

Modulación de las antenas

De acuerdo con la investigadora, para realizar la fotosíntesis, las plantas y las microalgas utilizan centros de captación de luz solar –denominados “antenas”–, compuestos por pigmentos tales como la clorofila. Esos pigmentos absorben la energía luminosa y la trasladan al fotosistema de la planta con el fin de producir moléculas enérgicamente activas, que ayudan en la fijación del CO2 y, por ende, en la producción de carbohidratos.

Al exponérselos a una gran cantidad de luz, como en el verano, por ejemplo, esos centros de captación de luz solar quedan sumamente saturados y no realizan de manera eficientemente coordinada la captura de fotones y la transferencia de electrones para fijar carbono.

Por esta razón, las plantas pierden una cantidad significativa de energía de la luz captada bajo la forma de calor o de fluorescencia, que podría utilizarse para aumentar la fijación de CO2 y la producción de carbohidratos tales como azúcares, entre otras moléculas.

Si bien las microalgas  –que poseen grandes antenas de captación de luz–  son sumamente eficientes en la captura de fotones, no son tan productivas cuando están juntas con otras microalgas.

Cuando se encuentran en la superficie del agua, ellas captan más energía de la luz solar que la que son capaces de usar para fijar carbono y disipan el exceso de energía hacia las microalgas situadas debajo de la superficie.

“De nada sirve que la planta tenga una gran cantidad de pigmentos si cuando absorbe la luz no la transfiere y convierte toda la energía física de la luz capturada en energía química, pues el fotosistema se satura”, evaluó Tonon.

Para aumentar la eficiencia de la fotosíntesis de esos organismos, con disminución del derroche de energía solar y llevando a las microalgas de la superficie y de las capas más profundas a absorber todos los fotones, los investigadores del laboratorio estadounidense empezaron a modular el tamaño de las antenas de captación de luz de microalgas de las especies Chlamydomonas reinhardtii y Chlorella sorokiniana, entre otras.

De este modo, el proceso de fotosíntesis se concreta de manera más uniforme con diversas microalgas cultivadas en estanque, por ejemplo.

“La idea es modular el tamaño de la antena de las microalgas, disminuyendo o aumentando la cantidad de pigmentos según la estación del año”, dijo Tonon.

“Durante el verano, cuando existe una alta incidencia de rayos solares, la antena de las microalgas no necesita contar con una gran cantidad de pigmentos. En tanto, durante el invierno, cuando la energía solar es menor, captará más energía si la cantidad de pigmentos fuera mayor. De esta forma, podríamos hacer un ajuste de las cepas transgénicas en las distintas estaciones del año”, explicó.

El control de la clorofila b

Para modular el tamaño de las antenas, los científicos disminuyeron los niveles de “clorofila b” en los organismos.

El pigmento absorbe luz en una longitud de onda distinta a la de la “clorofila a”, también presente en las microalgas y en otros organismos vegetales. De este modo, la “clorofila b” absorbe y transfiere más energía solar que otros pigmentos, explicó Tonon.

“Al regular la producción de esa clorofila, es posible controlar el tamaño de la antena de las microalgas”, detalló.

Para concretar esa regulación, los científicos modularon la expresión de un gen responsable de la síntesis del pigmento, una enzima llamada “clorofila a oxigenasa”.

Al disminuir la expresión del gen de esa enzima y, por consiguiente, la cantidad de “clorofila b” en el sistema, generaron algas con diferentes capacidades de absorción de luz.

Los cultivos de algas transgénicas presentaron una tasa de fotosíntesis dos veces mayor que la de las cepas silvestres, medida de acuerdo con la producción de oxígeno durante el proceso fotosintético.

Asimismo, exhibieron un crecimiento un 30% mayor también en comparación con los cultivos que no sufrieron modificaciones genéticas.

“Al disminuir la producción de clorofila b en la microalga, lograron aprovechar mejor la energía que capturan a través de la fotosíntesis y transferirla con mayor eficiencia, sin saturar el fotosistema ni ocasionar daños”, dijo Tonon.

“Cuando las microalgas o las plantas absorben mucha energía y no logran distribuir de manera eficiente los electrones, esa energía se acumula en el fotosistema ocasionando una serie de daños: uno de ellos es la fotooxidación”, explicó.

Doctorado en bioenergía

La Advanced School on the Present and Future of Bioenergy se realizó en el marco de la Escuela São Paulo de Ciencia Avanzada (ESPCA), una modalidad de apoyo de la FAPESP.

El evento reunió en el Instituto de Química de la Unicamp a investigadores, docentes y estudiantes de grado y posgrado de Brasil y del exterior para discutir el actual estadio y las perspectivas en las investigaciones sobre bioenergía.

“La idea del evento consistió en cubrir todos los aspectos relacionados con la bioenergía y resaltar que la materia prima para la producción de biocombustibles y otros productos químicos que pueden generarse a partir de la biomasa no se resume a la caña de azúcar”, dijo Andreas Karoly Gombert, docente de la Unicamp y organizador del encuentro.

Otro objetivo del evento consistió en divulgar el Programa Integrado de Doctorado en Bioenergía promovido conjuntamente por la Unicamp, la Universidad de São Paulo (USP) y Universidade Estadual Paulista (Unesp), cuya primera cohorte inició la cursada en marzo.

“Como pretendemos llegar al mayor grado de internacionalización posible y atraer a estudiantes de fuera de Brasil hacia la carrera aquí en el país, creemos que el evento sería una buena manera de divulgarla”, dijo Gombert.

Puede leerse el artículo Optimization of photosynthetic light energy utilization by microalgae (doi: 10.1016/j.algal.2012.07.002), de Perrine y otros, en la revista Algal Research, en la siguiente dirección: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211926412000288.