¿Pueden los cultivos alimentarios crecer en la oscuridad? Los científicos están trabajando en cómo hacerlo.

La ciencia ficción imagina un futuro en el que la gente vive en ciudades subterráneas en Marte, asteroides huecos y estaciones espaciales que flotan libremente lejos del sol. Pero si los humanos van a sobrevivir en cualquiera de estos ambientes hostiles y desconocidos, necesitarán métodos para cultivar alimentos utilizando recursos limitados, y la fotosíntesis, el proceso altamente exitoso pero de bajo consumo energético mediante el cual las plantas convierten la luz solar en azúcar, puede no ser posible. reducirlo.

Ahora, algunos científicos se preguntan si se pueden producir alimentos de manera más eficiente omitiendo por completo la fotosíntesis y cultivando plantas en la oscuridad.

La idea suena tan ciencia ficción como una ciudad en Marte.Pero un grupo de investigadores publicó en comida natural en junio. Las investigaciones han demostrado que las algas, la levadura comestible y los hongos productores de hongos se pueden cultivar en la oscuridad al nutrirlos con un compuesto a base de carbono llamado acetato, que no se deriva de las plantas sino que se produce con energía solar. Los científicos esperan que este método, una forma de «fotosíntesis artificial», pueda abrir nuevas formas de producir alimentos que utilicen menos espacio físico y energía que la agricultura convencional, quizás incluyendo cultivos que pueden crecer en la oscuridad.

Mientras que otros expertos dudan de que sea posible rediseñar la biología de las plantas de manera tan radical, están entusiasmados con la tecnología que los investigadores han inventado y las ideas innovadoras del equipo sobre cómo hacer que la producción de alimentos sea más eficiente.

«Tenemos que encontrar formas de cultivar plantas de manera más eficiente», dijo el coautor del estudio Jiao Feng, profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Delaware. «Cual [solution] ¿es el mejor? Creo que la belleza de la ciencia es que exploramos todas las posibilidades. «

más eficiente que la naturaleza

A excepción de algunos entornos extremos, como las aguas termales de aguas profundas, sustentadas por la energía química del sulfuro de hidrógeno que burbujea de las grietas en el fondo marino, toda la vida en la Tierra es alimentada por el sol. Incluso los depredadores del ápice como los tigres y los tiburones son parte de redes alimenticias complejas que se remontan a las plantas y, en el océano, a las diminutas algas verdes. Estos llamados productores primarios comparten un superpoder biológico: la capacidad de generar carbono orgánico a partir de dióxido de carbono a través de la fotosíntesis, un proceso bioquímico impulsado por la luz solar.

Pero si bien la fotosíntesis es vital para la vida tal como la conocemos, no es muy eficiente: solo alrededor del uno por ciento de la luz solar que cae sobre las plantas es capturada y utilizada para producir carbono orgánico. Tales ineficiencias supondrán un desafío si los humanos quieren establecer una presencia autosuficiente en el espacio, donde es fundamental producir alimentos utilizando la menor cantidad de recursos posible.

Esto también es un problema en el planeta hoy en día a medida que crece la población, lo que ejerce presión sobre los agricultores para obtener más calorías de la misma tierra.

Algunos científicos creen que la solución es modificar genéticamente los cultivos para que realicen la fotosíntesis de manera más eficiente. Los investigadores detrás del nuevo estudio tienen algunas propuestas más inusuales: reemplazar la fotosíntesis biológica con un proceso parcialmente artificial que convierte la luz solar en alimento. Su proceso es una versión de la fotosíntesis artificial, un término que existe desde hace años e incluye varios métodos para convertir la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en combustibles líquidos y productos químicos como formiato, metanol e hidrógeno. Los investigadores detrás del nuevo estudio dicen que su trabajo representa la primera vez que un sistema de fotosíntesis artificial se ha combinado con intentos de cultivar un organismo productor de alimentos común.

Su sistema se basa en la electrólisis, o el uso de corriente eléctrica para impulsar reacciones químicas dentro de un dispositivo llamado electrolizador. En su estudio reciente, los investigadores crearon un sistema de electrólisis solar de dos pasos que convierte el dióxido de carbono y el agua en oxígeno y acetato, un compuesto simple a base de carbono.

Luego, los autores alimentaron este acetato a Chlamydomonas reinhardtii, un alga verde fotosintética. También alimentaron con acetato a la levadura nutricional y a los hongos productores de hongos, que no se fotosintetizan por sí mismos, pero que por lo general requieren carbono orgánico producido por las plantas para crecer.

Todos estos organismos pueden absorber acetato y crecer en la oscuridad, independientemente de la luz solar o del carbono derivado de la fotosíntesis.

Comparado con la fotosíntesis, este proceso es sorprendentemente eficiente. Utilizando la fotosíntesis artificial, las algas verdes pueden convertir la energía solar en biomasa con una eficiencia cuatro veces mayor que la de los cultivos que utilizan la fotosíntesis biológica. Las levaduras cultivadas mediante este proceso son casi 18 veces más eficientes energéticamente que los cultivos.

«Esta es una de las principales ventajas de usar caminos artificiales en comparación con los caminos naturales», dijo Jiao.

¿Cultivar cultivos en la oscuridad?

Los científicos ya conocen las algas C. reinhardtii Puede crecer con acetato en la oscuridad: el organismo es una nutrición mixta, lo que significa que puede alternar entre hacer la fotosíntesis y hacer su propio alimento o comer carbono orgánico producido por otras plantas.Pero según el autor principal del estudio, Robert Kinkerson, de UC Riverside, esta es la primera vez C. reinhardtii se cultivan en acetato, que no se deriva de la fotosíntesis reciente ni de productos derivados del petróleo, son los restos fósiles de la fotosíntesis antigua. Esto es importante.

«Esta es la primera vez desde la evolución que un organismo fotosintético, como un alga o una planta, ha crecido independientemente de la fotosíntesis», dijo Kinksson. «Está completamente desacoplado».

Después de cultivar algas sin fotosíntesis, los investigadores se enfrentaron a una pregunta más difícil: ¿pueden seguir cultivando?

Sus resultados iniciales son alentadores. En la oscuridad, los investigadores cultivaron tejido de lechuga en una suspensión líquida que contenía acetato y demostraron que podía absorber y metabolizar una fuente de carbono suministrada externamente.

Cuando plantaron plantas enteras de lechuga (así como arroz, canola, tomate y varios otros cultivos) a la luz, pero las complementaron con acetato, descubrieron que las plantas incorporaban acetato en sus tejidos. El acetato, con un isótopo de carbono pesado llamado carbono 13, se remonta a los aminoácidos y azúcares, lo que sugiere que las plantas pueden usarlo para respaldar varios procesos metabólicos.

Sin embargo, el estudio hizo no mostró que plantas enteras podrían crecer completamente con acetato sin luz solar; de hecho, los experimentos de los investigadores con lechuga mostraron que demasiado acetato puede inhibir el crecimiento de las plantas. Jinxon dijo que su laboratorio está trabajando actualmente en ingeniería genética y mejoramiento de plantas para mejorar la tolerancia al acetato. Esto es necesario para que el enfoque de fotosíntesis artificial del equipo apoye el crecimiento de las plantas y la producción de alimentos de manera significativa.

emma kovacLos analistas de alimentos y agricultura del Breakthrough Institute dijeron que los hallazgos de los autores representan «el primer paso en el uso potencial del acetato para ayudar a alimentar a las plantas para la producción en interiores». Si a los productores se les permite reducir los niveles de luz interior, pueden reducir la energía requerida para operar una granja de interior. Pero «será necesario un progreso tremendo», dijo Kovac, para permitir que las plantas prosperen con el uso de acetato incluso en condiciones de poca luz.

Evan Groover, candidato a doctorado en biología sintética en UC Berkeley, está de acuerdo, cuya investigación se centra en la ingeniería genética de plantas para mejorar la fotosíntesis.. El estudio «sugiere que las plantas pueden absorber acetato, pero eso no prueba que realmente puedan prosperar con acetato o sintetizar alimentos, combustibles o medicamentos de manera significativa», dijo Grover. Lograr esto último requiere «una reprogramación completa de la planta», dijo.

Mientras tanto, Groover dijo que encontró el artículo de los autores «emocionante».

«Nos muestra cómo podríamos capturar la luz y el carbono en entornos extraños no terrestres o entornos donde la agricultura tradicional no es posible», dijo.

comida del espacio profundo

Los entornos alienígenas pueden ser donde los investigadores apliquen la tecnología por primera vez. Los investigadores presentaron su concepto de fotosíntesis artificial al Deep Space Food Challenge de la NASA, que otorga premios en metálico y reconocimiento a grupos con ideas innovadoras para alimentar a los astronautas en misiones espaciales de larga duración. El otoño pasado, el concepto del equipo fue nombrado uno de los 18 ganadores de la Fase 1 de EE. UU. En la Fase 2, los equipos necesitaban construir un prototipo que realmente pudiera producir alimentos. Los ganadores serán anunciados el próximo año.

Ganar la competencia no es garantía de que una nueva tecnología de producción de alimentos vuele en futuras misiones espaciales. Lynn Rothschild, científica investigadora principal del Centro de Investigación Ames de la NASA que no participó en el nuevo estudio, dijo que primero se deben resolver muchos detalles técnicos. El peso es una consideración clave: la fotosíntesis artificial puede requerir transportar nuevos equipos, incluidos paneles solares y electrolizadores adicionales, al espacio.

Pero Rothschild dijo que valdría la pena mantener la mente abierta acerca de cómo cualquier esfuerzo para rediseñar procesos biológicos básicos como la fotosíntesis podría aplicarse en el espacio o en la Tierra: «La recompensa puede ser algo que aún no hemos imaginado».