La fotosíntesis, a través de la cadena alimentaria, es la fuente primaria de la energía que necesitan los organismos vivos, el origen de la mayoría de los combustibles que usa el hombre (madera, carbón, petróleo, gas) y a su vez una aliada en la lucha contra el efecto invernadero, siendo la responsable de la fijación de unas cien gigatoneladas de CO2 al año.

El grupo de investigación ‘Transferencia de electrones en sistemas biológicos’, del Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis (IBVF) del CSIC y la Universidad de Sevilla, trabaja con proteínas responsables de la fotosíntesis, y José Antonio Navarro, investigador principal de dicho grupo, las estudia desde hace casi 30 años: “Los fotosintéticos decimos siempre que la fotosíntesis es la reacción biológica más importante que existe porque sin ella la energía física del sol no podría entrar en la biosfera y convertirse en la energía química necesaria para que exista la vida tal y como la conocemos”. Y es que la fotosíntesis consiste básicamente en captar la energía física de la luz (fotones) y convertirla en energía química útil para la vida: proteínas, hidratos de carbono, grasas, ADN, etc.

La fotosíntesis oceánica

Cuando hablamos de cómo la fotosíntesis ayuda a capturar dióxido de carbono, tendemos a pensar mayoritariamente en frondosos bosques que tiñen de verde gran parte de nuestro planeta, dando un respiro a la contaminación sin tregua causada por el hombre. Sin embargo, he aquí un dato curioso: gran parte de la productividad fotosintética, en torno al 50%, no se desarrolla sobre la superficie de la tierra, sino de los océanos, donde campan a sus anchas unas algas, fundamentalmente microscópicas, conocidas como fitoplancton.

El equipo del Dr. Navarro trabaja específicamente con diatomeas, uno de los grupos más abundantes y diversificados del fitoplancton, responsable del 30-40% de la productividad fotosintética de los océanos. Estas microscópicas algas presentan numerosas ventajas a la hora de captar el CO2 de la atmósfera, entre ellas el hecho de que al estar compuestas en gran parte de silicio, cuando mueren se hunden hasta el fondo marino, arrastrando con ellas el carbono, que queda así secuestrado en las profundidades oceánicas. Sin embargo, las diatomeas presentan un problema: no pueden realizar eficientemente la fotosíntesis si les falta hierro, y en los océanos hay amplias zonas que presentan escasa disponibilidad de este elemento.

El hierro y la clorofila

En los océanos hay zonas muy ricas en clorofila, molécula responsable de captar la luz solar y convertirla en energía química, sin embargo también existen amplias zonas oceánicas que son realmente pobres en este pigmento verde. Esto ha sido objeto de numerosos estudios que han revelado que en estas aguas en las que apenas hay clorofila, y por ende actividad fotosintética, sí abundan nutrientes como el fósforo o el nitrógeno, pero escasea el hierro, un elemento que es fundamental para las proteínas encargadas de realizar la fotosíntesis.

Así, ante la baja presencia de hierro en algunos ecosistemas marinos y la consiguiente limitación para el correcto crecimiento del fitoplancton que ello supone, se han llevado a cabo experimentos de fertilización artificial de hierro en mar abierto que han mostrado grandes explosiones de crecimiento de diatomeas en el fitoplancton. Esta solución no obstante es como “matar moscas a cañonazos” ya que el vertido masivo de hierro en los océanos presenta importantes inconvenientes técnicos y ecológicos, por lo que no parece la mejor opción para aumentar el rendimiento de las diatomeas.

Algunos organismos fotosintéticos, como las cianobacterias y algunas algas, se han adaptado a la falta de hierro mediante el desarrollo de proteínas alternativas que no requieren de este elemento para su función. Una de estas proteínas alternativas es la plastocianina, que contiene cobre y consigue reemplazar al citocromo c6, que es la proteína que contiene hierro y está presente en la fotosíntesis de las diatomeas.

En estos organismos ambas proteínas actúan de manera alternativa como componentes fundamentales de la maquinaria fotosintética según haya cobre en el medio en el que se encuentren, consiguiendo sintetizar plastocianina en presencia de cobre en lugar del citocromo c6, lo que les supone un ahorro de hierro. Esta posibilidad no existe sin embargo en las diatomeas, que carecen de esta proteína de cobre alternativa, por lo que solo pueden sintetizar la proteína que contiene hierro, el citocromo c6.

Diatomeas modificadas contra el cambio climático

Ante esta situación, el grupo ‘Transferencia de electrones en sistemas biológicos’ del IBVF se ha propuesto diseñar una diatomea modificada, capaz de crecer mejor en condiciones de limitación de hierro, mediante la introducción de un gen de plastocianina que pueda reemplazar al citocromo c6. Para ello están desarrollando experimentos con la diatomea modelo Phaeodactylum.

José Antonio Navarro explica que, en caso de éxito, “esto podría reducir la necesidad de hierro de las diatomeas y reemplazarla por cobre, un metal relativamente abundante en mar abierto”, y añade que la aspiración de esta línea de investigación en última instancia “es conseguir aumentar la productividad fotosintética y la fijación de dióxido de carbono de las diatomeas, contribuyendo a la lucha contra el cambio climático”. Así, su objetivo final pasa por determinar si las estirpes de la diatomea modificadas mejoran su crecimiento y capacidad de secuestrar carbono bajo condiciones de deficiencia de hierro y evaluar su posible uso biotecnológico.

Centro de Investigaciones Científicas Isla de la Cartuja

El IBVF está integrado en el Centro de Investigaciones Científicas Isla de la Cartuja (cicCartuja), fundado en 1995 por la Junta de Andalucía, el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Sevilla (US), y localizado en el Parque Científico y Tecnológico Cartuja en Sevilla.

El cicCartuja tiene por objetivos manifiestos crear conocimiento y mejorar la calidad de vida de los ciudadanos, así como progresar en el grado de conocimiento de la naturaleza y de problemas relacionados con la sociedad. Está compuesto además por otros dos Institutos mixtos CSIC-US: el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla y el Instituto de Investigaciones Químicas, consiguiendo un carácter interdisciplinar que le permite desarrollar proyectos en la frontera entre la Biología, la Química y la Física.

El IBVF en concreto aborda la investigación y uso biotecnológico de los organismos que utilizan la luz como fuente de energía:

• Bases moleculares del desarrollo en cianobacterias y plantas
• Señalización celular y adaptación al estrés ambiental de los organismos fotosintéticos
• Expresión génica y regulación metabólica en células vegetales
• Bioeliminación del CO2 atmosférico en la lucha contra el cambio climático
• Biotecnología de microalgas para la producción de biocombustibles y compuestos de interés industrial

De cara al futuro las aplicaciones más interesantes de la investigación en el cicCartuja son las relacionadas con los nuevos materiales, la biomedicina, la lucha contra las enfermedades como el cáncer y, como en el caso del grupo ‘Transferencia de electrones en sistemas biológicos’, la lucha contra el cambio climático.