La prima grande sfida J-WAFS mira a sviluppare varianti di colture migliorate e a trasferirle dal laboratorio al campo.

J-WAFS's first major challenge is to develop improved crop variants and transfer them from the laboratory to the field.

Matt Shoulders guiderà una squadra interdisciplinare per migliorare RuBisCO – l’enzima della fotosintesi considerato il Santo Graal per migliorare il rendimento agricolo.

Secondo lo statuto del MIT, stabilito nel 1861, parte della missione dell’istituto è quella di promuovere lo “sviluppo e l’applicazione pratica della scienza in connessione con le arti, l’agricoltura, la manifattura e il commercio”. Oggi, il Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) è una delle forze trainanti della ricerca legata all’acqua e al cibo nel campus, gran parte della quale riguarda l’agricoltura. Nel 2022, J-WAFS ha istituito il Water and Food Grand Challenge Grant per ispirare i ricercatori del MIT a lavorare per un futuro sicuro per l’acqua e il cibo per il nostro pianeta in continua evoluzione. Non diversamente dalle Climate Grand Challenges del MIT, il J-WAFS Grand Challenge cerca di sfruttare molteplici aree di competenza, programmi e risorse dell’istituto. La prima chiamata per le dichiarazioni di interesse ha restituito 23 lettere da parte di ricercatori del MIT che spaziano su 18 dipartimenti, laboratori e centri. J-WAFS ha ospitato workshop per i propositori per presentare e discutere le loro idee iniziali. Queste sono state ridotte a un insieme più piccolo di concept papers invitati, seguiti dalla fase finale della proposta.

Oggi, J-WAFS è lieta di annunciare che il primo J-WAFS Grand Challenge Grant è stato assegnato a un team di ricercatori guidati dal Professor Matt Shoulders e dallo scienziato di ricerca Robert Wilson del Dipartimento di Chimica. Una giuria di esperti revisori esterni ha fortemente approvato la loro proposta, che affronta un problema di lunga data nella biologia delle colture: come rendere la fotosintesi più efficiente. Il team riceverà 1,5 milioni di dollari per tre anni per facilitare un progetto di ricerca multistadio che combina innovazioni all’avanguardia in biologia sintetica e computazionale. Se avrà successo, questo progetto potrebbe creare grandi benefici per l’agricoltura e i sistemi alimentari in tutto il mondo.

• I ricercatori utilizzano l’AI per identificare materiali simili in immagini.
• AI probabilistica che sa quanto bene sta funzionando.
• Utilizzando l’Intelligenza Artificiale, gli scienziati hanno trovato un farmaco che potrebbe combattere le infezioni farmaco-resistenti.

“I sistemi alimentari sono una fonte importante di emissioni globali di gas serra e sono anche sempre più vulnerabili agli impatti del cambiamento climatico. Ecco perché quando si parla di cambiamento climatico, si deve parlare anche dei sistemi alimentari, e viceversa”, afferma Maria T. Zuber, vicepresidente per la ricerca del MIT. “J-WAFS è centrale negli sforzi del MIT per affrontare le sfide interconnesse del clima, dell’acqua e del cibo. Questo nuovo programma di sovvenzioni mira a catalizzare progetti innovativi che avranno impatti reali e significativi sull’acqua e il cibo. Congratulazioni al Professor Shoulders e al resto del team di ricerca per essere i destinatari inaugurale di questa sovvenzione”.

Shoulders lavorerà con Bryan Bryson, professore associato di ingegneria biologica, oltre che con Bin Zhang, professore associato di chimica, e Mary Gehring, professore del Dipartimento di Biologia e del Whitehead Institute for Biomedical Research. Robert Wilson del laboratorio Shoulders coordinerà lo sforzo di ricerca. Il team del MIT lavorerà con i collaboratori esterni Spencer Whitney, professore dell’Università Nazionale Australiana, e Ahmed Badran, professore assistente presso l’Istituto di Ricerca Scripps. Una collaborazione basata su milestone avverrà anche con Stephen Long, professore dell’Università di Illinois a Urbana-Champaign. Il gruppo è composto da esperti in evoluzione diretta continua, apprendimento automatico, simulazioni di dinamica molecolare, biochimica vegetale traslazionale e prove sul campo.

“Questo progetto mira a migliorare fondamentalmente l’enzima RuBisCO che le piante usano per convertire il biossido di carbonio in molecole ricche di energia che costituiscono il nostro cibo”, afferma il Direttore di J-WAFS, John H. Lienhard V. “Questo difficile problema è una vera grande sfida, che richiede risorse estese. Con il supporto di J-WAFS, questo obiettivo a lungo cercato potrebbe finalmente essere raggiunto attraverso la ricerca all’avanguardia del MIT”, aggiunge.

RuBisCO: No, non è una nuova colazione a base di cereali; potrebbe essere la chiave per una rivoluzione agricola

Una popolazione globale in crescita, gli effetti del cambiamento climatico e conflitti sociali e politici come la guerra in Ucraina minacciano tutti le forniture alimentari, in particolare le colture di cereali. Le proiezioni attuali stimano che la produzione di colture deve aumentare di almeno il 50% nei prossimi 30 anni per soddisfare le esigenze alimentari. Una delle principali barriere all’aumento della produzione di colture è un enzima fotosintetico chiamato Ribulose-1,5-Bisfosfato Carbossilasi/Ossigenasi (RuBisCO). Durante la fotosintesi, le colture utilizzano l’energia raccolta dalla luce per estrarre il biossido di carbonio (CO2) dall’atmosfera e trasformarlo in zuccheri e cellulosa per la crescita, un processo noto come fissazione del carbonio. RuBisCO è essenziale per catturare il CO2 dall’aria per avviare la conversione del CO2 in molecole ricche di energia come il glucosio. Questa reazione avviene durante la seconda fase della fotosintesi, nota anche come ciclo di Calvin. Senza RuBisCO, le reazioni chimiche che rappresentano praticamente tutta l’acquisizione di carbonio nella vita non potrebbero avvenire.

Purtroppo, RuBisCO ha limitazioni biochimiche. In particolare, l’enzima agisce lentamente. Molti altri enzimi possono elaborare mille molecole al secondo, ma RuBisCO nei cloroplasti fissa meno di sei molecole di biossido di carbonio al secondo, limitando spesso il tasso di fotosintesi delle piante. Un altro problema è che le molecole di ossigeno (O2) e di biossido di carbonio sono relativamente simili nella forma e nelle proprietà chimiche, e RuBisCO non è in grado di discriminare completamente tra le due. La fissazione accidentale di ossigeno da parte di RuBisCO porta a perdite di energia e carbonio. Inoltre, a temperature più elevate RuBisCO reagisce ancora più frequentemente con l’ossigeno, il che contribuirà a una diminuzione dell’efficienza fotosintetica in molte colture di base poiché il nostro clima si riscalda.

Il consenso scientifico è che l’ingegneria genetica e l’approccio della biologia sintetica potrebbero rivoluzionare la fotosintesi e offrire protezione contro le perdite di colture. Fino ad oggi, l’ingegneria di RuBisCO per le colture è stata ostacolata da ostacoli tecnologici che hanno limitato il successo nel migliorare significativamente la produzione di colture. Con entusiasmo, gli strumenti dell’ingegneria genetica e della biologia sintetica sono ora a un punto in cui possono essere applicati e testati con l’obiettivo di creare colture con nuovi o migliorati percorsi biologici per produrre più cibo per la popolazione in crescita.

Un piano epico per combattere l’insicurezza alimentare

Il progetto 2023 J-WAFS Grand Challenge utilizzerà tecniche di ingegneria proteica trasformativa all’avanguardia tratte dalla biomedicina per migliorare la biochimica della fotosintesi, concentrando specificamente su RuBisCO. Shoulders e il suo team stanno pianificando di costruire ciò che chiamano la piattaforma Enhanced Photosynthesis in Crops (EPiC). Il progetto evolverà e progetterà un migliore RuBisCO di colture in laboratorio, seguito dalla convalida degli enzimi migliorati nelle piante, con conseguente implementazione di RuBisCO migliorato nei test sul campo per valutare l’impatto sulla resa delle colture.

Diversi sviluppi recenti rendono possibile l’ingegneria ad alta velocità di RuBisCO di colture. RuBisCO richiede una complessa rete di chaperone per l’assemblaggio e la funzione corretti nelle piante. I chaperone sono come aiutanti che guidano le proteine durante il loro processo di maturazione, proteggendole dall’aggregazione mentre coordinano il loro corretto assemblaggio. Wilson e i suoi collaboratori hanno in precedenza sbloccato la capacità di produrre ricombinantemente RuBisCO di piante al di fuori dei cloroplasti delle piante ricostruendo questa rete di chaperone in Escherichia coli (E. coli). Whitney ha ora stabilito che gli enzimi di RuBisCO di una gamma di colture agricole rilevanti, tra cui patate, carote, fragole e tabacco, possono essere espressi utilizzando questa tecnologia. Whitney e Wilson hanno inoltre sviluppato una gamma di schermi E. coli dipendenti da RuBisCO che possono identificare RuBisCO migliorato da librerie di geni complessi. Inoltre, Shoulders e il suo laboratorio hanno sviluppato sofisticate tecnologie di mutagenesi in vivo che consentono campagne di evoluzione continua dirette efficienti. L’evoluzione continua diretta si riferisce a un processo di ingegneria delle proteine che può accelerare i passaggi dell’evoluzione naturale contemporaneamente in un ciclo ininterrotto in laboratorio, consentendo una rapida prova delle sequenze proteiche. Sebbene sia Shoulders che Badran abbiano già esperienza con piattaforme di evoluzione diretta all’avanguardia, questa sarà la prima volta che l’evoluzione diretta viene applicata a RuBisCO delle piante.

L’intelligenza artificiale sta cambiando il modo in cui la ricerca sull’ingegneria degli enzimi viene condotta dai ricercatori. I ricercatori principali Zhang e Bryson utilizzeranno metodi computazionali moderni per simulare la dinamica della struttura di RuBisCO ed esplorare il suo paesaggio evolutivo. In particolare, Zhang userà simulazioni di dinamica molecolare per simulare e monitorare la dinamica conformazionale degli atomi in una proteina e nel suo ambiente programmato nel tempo. Questo approccio aiuterà il team a valutare l’effetto di mutazioni e nuove funzionalità chimiche sulle proprietà di RuBisCO. Bryson impiegherà l’intelligenza artificiale e il machine learning per cercare il paesaggio di attività di RuBisCO per le sequenze ottimali. Le braccia computazionale e biologica della piattaforma EPiC lavoreranno insieme per convalidare e informare gli approcci reciproci per accelerare lo sforzo di ingegneria complessivo.

Shoulders e il gruppo implementeranno i loro enzimi progettati in piante di tabacco per valutarne gli effetti sulla crescita e sulla resa rispetto a RuBisCO naturale. Gehring, un biologo delle piante, assisterà nella selezione di varianti di RuBisCO migliorate utilizzando la varietà di tabacco Nicotiana benthamianaI, dove può essere implementata l’espressione transitoria. L’espressione transitoria è un approccio rapido per testare se le nuove varianti di RuBisCO ingegnerizzate possono essere correttamente sintetizzate nei cloroplasti delle foglie. Le varianti che superano questo checkpoint di controllo di qualità al MIT saranno passate al Laboratorio Whitney presso l’Università Nazionale Australiana per la trasformazione stabile in Nicotiana tabacum (tabacco), consentendo robuste misurazioni del miglioramento fotosintetico. In una fase finale, il professor Long dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign effettuerà test sul campo delle varianti più promettenti.

Anche piccoli miglioramenti potrebbero avere un grande impatto

Una critica comune agli sforzi per migliorare RuBisCO è che l’evoluzione naturale non ha ancora identificato un enzima migliore, implicando eventualmente che nessuno sarà trovato. Le opinioni tradizionali hanno ipotizzato un compromesso catalitico tra il fattore di specificità di RuBisCO per CO2/O2 rispetto alla sua efficienza di fissazione di CO2, portando alla convinzione che i miglioramenti del fattore di specificità potrebbero essere compensati da una fissazione del carbonio ancora più lenta o viceversa. Questo compromesso è stato suggerito per spiegare perché l’evoluzione naturale sia stata lenta nel raggiungere un miglior RuBisCO. Ma Shoulders e il suo team sono convinti che la piattaforma EPiC possa sbloccare miglioramenti complessivi significativi per RuBisCO di piante. Questa visione è supportata dal fatto che Wilson e Whitney hanno già utilizzato l’evoluzione diretta per migliorare l’efficienza di fissazione di CO2 del 50 percento in RuBisCO di cianobatteri (i progenitori antichi dei cloroplasti delle piante) aumentando contemporaneamente il fattore di specificità.

I ricercatori di EPiC prevedono che le loro varianti iniziali possano garantire aumenti del 20% del fattore di specificità di RuBisCO senza compromettere altri aspetti della catalisi. Varianti più sofisticate potrebbero liberare RuBisCO dalla sua trappola evolutiva e mostrare attributi attualmente non osservati in natura. “Se raggiungiamo un miglioramento anche solo vicino a questo e si traduce in colture, i risultati potrebbero contribuire a trasformare l’agricoltura”, afferma Shoulders. “Se i nostri risultati sono più modesti, attireranno comunque nuovi investimenti massicci in questo campo essenziale”.

L’ingegnerizzazione di successo di RuBisCO sarebbe già di per sé un’impresa scientifica e riaccenderebbe l’entusiasmo per il miglioramento della fissazione del CO2 nelle piante. Combinata con altri progressi nell’ingegneria fotosintetica, come un miglior utilizzo della luce, potrebbe essere raggiunta una nuova rivoluzione verde nell’agricoltura. Gli impatti a lungo termine del successo della tecnologia saranno misurati tramite miglioramenti della resa delle colture e della disponibilità di cereali, nonché della resistenza alle perdite di rendimento a temperature di campo più elevate. Inoltre, una maggiore produttività delle terre insieme a iniziative politiche contribuirebbero a ridurre l’impronta ambientale dell’agricoltura. Con più “colture per goccia”, le riduzioni del consumo di acqua dall’agricoltura sarebbero un grande contributo alle pratiche di agricoltura sostenibile.

“Il nostro team collaborativo di biochimici e biologi sintetici, biologi computazionali e chimici è profondamente integrato con i biologi delle piante e gli esperti di prove sul campo, garantendo un robusto ciclo di feedback per l’ingegneria degli enzimi”, aggiunge Shoulders. “Insieme, questo team sarà in grado di fare uno sforzo concertato utilizzando le tecniche più moderne e all’avanguardia per ingegnerizzare RuBisCO delle colture con l’obiettivo di contribuire a ottenere guadagni significativi nella sicurezza di una fornitura stabile di colture, sperabilmente con miglioramenti concomitanti nella sicurezza alimentare e idrica”.