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La humanidad parece encaminarse hacia la insostenibilidad alimentaria. La productividad de los cultivos se ha estancado, mientras que el crecimiento demográfico continúa siendo imparable. De hecho, según una investigación realizada el pasado año por la ONU y la Universidad de Washington, se estimó que la población mundial alcanzaría los 11.000 millones en 2100 (África pasará de los 1.000 a los 4.000 millones). A esto se suma la relación de conflicto que se origina entre las necesidades de protección del medio ambiente y las demandas de nuevas tierras de cultivo, principalmente en los países subdesarrollados. Un panorama que se caracterizará por una grave crisis agrícola durante las próximas décadas y que será sin duda uno de los grandes retos a los que tendrá que hacer frente el ser humano.

Algunos ya se pusieron manos a la obra. Es el caso de un grupo de científicos pertenecientes al prestigioso laboratorio Cold Spring Harbor en el Estado de Nueva York. El objetivo fue explorar posibles rediseños en los sistemas biológicos de las plantas a diferentes escalas con el propósito de aumentar el rendimiento de los cultivos a través de la mejora y eficiencia de la fotosíntesis. Sí, modificar el modo en el que realizan las plantas la más importante de sus funciones y parte fundamental del ciclo biológico del planeta. Asimismo, en el estudio tuvieron cabida tanto las posibles alteraciones directas como rediseños conceptuales que podrían ser desarrollados por la futura biología sintética.

Uno de los factores que limitan la productividad de los cultivos es la incapacidad de la fotosíntesis para utilizar de forma eficaz las altas intensidades de luz durante el mediodía. Entre los motivos se encuentra la lenta velocidad catalítica (velocidad de una reacción química debido a una sustancia) de una enzima denominada Rubisco, lo que impide el aumento de la tasa de asimilación del carbono en las hojas de las plantas. Una posible solución podría ser un mejor intercambio de luz en el dosel arbóreo o parte alta de las plantas a través de la reingeniería de esta enzima.

Durante las horas de mayor exposición, los organismos vegetales absorben más luz de la que pueden asimilar de forma productiva. El motivo es la enorme capacidad de absorción de las hojas que garantiza una gran efectividad en los momentos de escasa luz como los amaneceres, anocheceres o días nublados. Pero en aquellos momentos de máxima luminosidad, las plantas deben de eliminar el exceso de energía, principalmente a través de la disipación térmica, lo que se traduce en una significativa pérdida de eficiencia. El objetivo, por tanto, sería reducir la capacidad de absorción de las hojas mediante la rebaja del número de pigmentos captadores de luz (clorofilas, carotenoides) por cada fotosistema (los centros donde se agrupan los pigmentos), además de un menor número de fotosistemas en las hojas de las zonas altas de las plantas.

Un paso más allá consistiría en la sustitución de los tipos de fotosistemas de las plantas comunes por centros de reacción de una bacteria fotosintética que emplea bacterioclorofila b en lugar de la clorofila utilizada por los vegetales. Dichos centros de reacción ofrecerían casi el triple de la eficiencia actual. Un proyecto que podría comenzar a desarrollarse en un futuro cercano.

No obstante, otro de los factores limitantes es la fijación del carbono a través del transporte celular del CO2. Las algas y bacterias fotosintéticas poseen varios canales de transporte del CO2 para aumentar su flujo, pero no están presentes en las membranas de los cloroplastos de las plantas terrestres. Así que el objetivo sería en este caso incluir dichos canales a través de procedimientos de ingeniería celular que permitiesen reducir la concentración de CO2 en el interior de las células y así favorecer una mayor fotosíntesis con un intercambio más rápido de aire exterior.

El dosel arbóreo inteligente

La idea consiste en favorecer el crecimiento de las zonas altas de las plantas de forma que interactúen cooperativamente para maximizar la eficiencia fotosintética.

Las plantas tienen que hacer frente de forma natural a la saturación de luz de las hojas superiores y el hambre de luz de las hojas más inferiores. Una forma de minimizar esta desigualdad es variar el ángulo de las hojas en el dosel, una solución algo arcaica para las ideas que los científicos del CSH están barajando. De hecho, una posible vía sería variar el tamaño de los centros de reacción de la parte alta de las plantas. La luz es absorbida por los pigmentos antes mencionados y canalizan esa energía a los centros de reacción donde se desatan las reacciones químicas. Cada centro puede contener cientos de moléculas de pigmento. Pues bien, las hojas superiores contendrían menos pigmentos “alimentando” a un mayor número de centros de reacción y adquirirían un color verde pálido. Mientras, las hojas situadas en las zonas inferiores incluirían áreas de pigmentos más grandes suministrando energía a menos centros de reacción. y obtendrían una tonalidad más oscura.

Por otra parte, también se podrían realizar modificaciones según el espectro lumínico. Esto es, conectar diferentes tipos de pigmentos capaces de absorber la luz según la altura del vegetal. En la zona elevada situar pigmentos como la clorofila que absorben la parte visible del espectro de luz. Y en la parte baja, donde hojas reciben principalmente la luz infrarroja, posicionar la clorofila d, más apta para ese espectro.

Se trata de complejísimos remedios basados en técnicas de biología sintética cuyo desarrollo no ha hecho más que empezar, pero la posibilidad de obtener resultados positivos puede marcar el desarrollo agrícola del futuro.