Fallos de la evolución (I): RuBisCo y el desperdicio de la fotosíntesis

Tras miles de millones de años de optimización continuada, los seres vivos contenemos innumerables mecanismos de control y nanomáquinas (proteínas y enzimas) muy cercanos a la perfección, tanto en elegancia, ingenio (aparente, ya que no es mérito de ningún creador) como en eficiencia en sus respectivas tareas. Eficiencias energéticas cercanas al 100% son la norma en el mundo biológico, muy lejos de la mayoría de artefactos mecánicos humanos.

Pero hay una pequeña lista de ejemplos que son claros máximos locales en la optimización. En otras palabras, un hipotético «ingeniero» diseñador hubiera sido capaz de hacerlo mejor si en un momento dado de la evolución hubiese tenido la opción de descartar un diseño y empezar otro de cero. Pero la evolución no funciona así, sino a través de pequeños cambios incrementales a nivel genético: lo único que se puede hacer es «agrandar», «acortar», «aumentar», «disminuir», «girar un poco», etc… cada una de las partes de un cuerpo (o acciones equivalentes para las proteínas). Aunque pueden existen mutaciones más importantes, la mayor parte de la historia evolutiva se va dando por estos pequeños pasos más seguros. Por lo tanto, es de esperar que en algunos pocos casos nos encontremos con pequeños «fallos» o «patinazos» en la evolución. Y estos son los que vamos a repasar en esta serie de artículos.

Hoy empezamos hablando de la RuBisCo, una proteína que se encuentra en las hojas de las plantas. Se estima que es la proteína más abundante de todo nuestro planeta, y su importancia es capital, ya que cataliza (es una enzima) la primera etapa de la fijación del dióxido de carbono (CO2) atmosférico. Es decir, es el primer paso de la fotosíntesis, o hablando con propiedad, lo es para las plantas que usan las rutas metabólicas de fijación de carbono llamadas C3 y C4 (la mayoría de las plantas).

De no ser por la fotosíntesis no tendríamos O2 libre en nuestra atmósfera para que los animales podamos respirarlo y generar energía rápidamente, por lo que realmente el invento de la RuBisCo en la evolución fue un punto de inflexión en la historia de la vida en nuestro planeta. Se estima que por cada ser humano hay 44Kg de esta proteína funcionando en algún lugar de la Tierra generando el O2 que éste respira.

El origen de la RuBisCo en un planeta donde no había mucho oxígeno libre es la clave para entender el fallo en su diseño. Pero antes, para entender en qué consiste el «fallo», hay que ver el lugar que ocupa esta enzima en el ciclo metabólico del que forma parte: capturar el CO2 atmosférico:

Lugar de la RuBisCo en el ciclo de Calvin (Click para ampliar)

La RuBisCo cataliza, más rápido para mayores intensidades de luz solar, la incorporación de CO2 a una molécula de ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP), dando lugar a otra molécula que no nos interesa pero que finalmente acaba siendo transformada en glucosa. Ese es el origen de la mayor fuente de energía de todos los animales, y es generada por las plantas a partir de luz solar y CO2.

El proceso también se explica en este vídeo en forma de canción (disclaimer: ¡sólo frikis!)

Hasta aquí todo parece concordar con lo que sabemos de la fotosíntesis: luz, agua y CO2 se convierten en glucosa, un azúcar que es fuente de energía para la mayoría de los seres vivos. Pero ahora entra en escena el error de diseño de la RuBisCo: además de fijar el CO2, también fija el O2, ¡desperdiciando de esta forma energía que por otro lado se está generando al fijar CO2!.

La situación es similar a tener dos personas junto a una bañera, uno echando cubos de agua (energía) y otro sacándolos y tirándolos al suelo (desperdicio de energía). Dependiendo del flujo o ritmo que tengan uno y otro, así será el saldo neto total positivo o negativo.

En el caso de la fotosíntesis, al desperdicio de energía (fijación de O2) se le llama fotorrespiración, y su intensidad depende de la temperatura y del flujo de luz solar. De hecho, existe un punto crítico en el cual la planta deja de fijar CO2, y por lo tanto, no está realizando fotosíntesis neta ni acumulando energía en forma de glucosa. Dicho más claro: la fotorrespiración es un error, un fallo, las plantas la realizan sin quererlo.

El fallo por lo tanto es la baja selectividad de la RuBisCo que le permite reaccionar tanto con el CO2 como con el O2, cuando lo ideal sería que sólo reaccionara con el CO2. En una situación típica, la fotorrespiración reduce la eficiencia del proceso a un 70%. Para los biólogos, acostumbrados a mecanismos de regulación prácticamente perfectos, esta eficiencia tan baja es totalmente anormal, y es por eso que se considera un probable fallo en la evolución.

Una posible justificación a este fallo sería que el mecanismo evolucionó en un mundo sin O2 libre en la atmósfera, y dado que la evolución no tiene capacidad de previsión del futuro, el problema del oxígeno se encontró mucho después. Aún así, es extraño que no haya evolucionado una forma distinta de RuBisCo más selectiva ya que ha tenido miles de millones de años para hacerlo. O bien la evolución se quedó atascada ahí, o realmente es un óptimo debido a algún factor desconocido hoy día por los científicos, aunque esto parece poco probable.

Como curiosidad, algunos científicos están trabajando ([1],[2]) en modificar genéticamente las plantas para dotarlas de una RuBisCo más eficiente, y proponen que este puede ser una posible vía para atacar el cambio climático, ya que las plantas así creadas fijarían CO2 más eficientemente. Aunque personalmente, creo que la opción de plantar más árboles, aunque no sean del todo óptimos ¡sería una apuesta sobre seguro y más barata! 😉

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Fuentes:

– Biochemistry and molecular biology. William H. Elliott,Daphne C. Elliott.