Dentro de un cálido invernadero en el centro de Illinois (EEUU), un par de investigadores animados pero concentrados está cultivando plantas experimentales. Los científicos humedecen la tierra y la meten en tiestos, luego introducen cuidadosamente pequeñas semillas de tabaco de color marrón oscuro sacadas de unos viales de vidrio. En los próximos meses los investigadores sacarán las plantas al exterior a un campo y observarán si crecen más grandes o más rápido que de costumbre, algo crucial para la alimentación del mundo en 2050.

Estas plantas de tabaco han sido manipuladas a un nivel más fundamental que los típicos cultivos biotecnológicos. Se ha modificado su técnica para hacer la fotosíntesis para que conviertan la luz solar y el dióxido de carbono en hidratos de carbono de forma más eficiente. Si se aplicara a cultivos alimentarios, cualquier parcela de tierra podría producir más alimentos o la misma cantidad con menos agua y fertilizantes.

La necesidad es urgente. Las Naciones Unidas prevén que, para alimentar la creciente población, la producción agrícola mundial debe aumentar en un 50% de aquí a 2050. Y esa ambiciosa meta no tiene en cuenta los efectos del cambio climático. Las plantas prosperan con el dióxido de carbono, pero los días muy calurosos reducen el rendimiento de los cultivos. En muchas partes del mundo, el incremento de las temperaturas y el aumento de las sequías causadas por el cambio climático serán devastadores. Y esos efectos negativos "tendrán un mayor impacto en los pobres", alerta el director del proyecto Logrando Aumentar la Eficiencia Fotosintética (RIPE por sus siglas en inglés, que significa 'maduro'), Steve Long.

El proyecto RIPE, financiado por la Fundación Bill y Melinda Gates, está comenzando con el tabaco porque es relativamente fácil de manipular genéticamente. Pero su verdadero objetivo es mejorar el rendimiento de cultivos alimentarios como la yuca y las carillas, que son fuentes importantes de calorías y proteínas en muchos países pobres. Y está trabajando en cambios metabólicos las plantas mucho más ambiciosos que antes.

Los agrónomos todavía no han superado los límites de la fotosíntesis, a pesar de que este proceso bioquímico de 160 pasos está muy bien estudiado y es sorprendentemente ineficiente. Las plantas convierten menos del 5% de la energía de la luz solar en biomasa. Y la parte que se invierte en las partes de las plantas que a las personas les gusta comer (semillas, tubérculos, vainas) es aún más pequeña. La agricultura moderna ha mejorado enormemente la producción gracias a los fertilizantes, los pesticidas y la mejora vegetal tradicional. Ahora las mejoras son más difíciles de conseguir. Por eso el consorcio RIPE se centra en la ineficiencia en el metabolismo de las plantas (y no son los únicos investigadores que trabajan en esta idea, ver 10 Tecnologías Emergentes 2015: Ultrafotosíntesis para alimentar al mundo).

El año pasado, los investigadores de RIPE demostraron por primera vez que era posible mejorar el rendimiento de los cultivos mediante la manipulación de la fotosíntesis. Al aumentar los niveles de expresión de tres genes implicados en el procesamiento de la luz, mejoraron la producción del tabaco en un 20%. Ahora, intenta usar el mismo truco de ingeniería genética para aumentar los rendimientos en cultivos alimentarios más reticentes. Hacerlo realidad en la yuca es en parte responsabilidad de la investigadora postdoctoral de Brasil Amanda De Souza.

La ingeniería genética de la fotosíntesis en la yuca es un proceso largo y delicado. De Souza abre una placa de Petri para mostrar embriones de yuca, cúmulos de color amarillo claro de un milímetro de ancho. Ella los cultiva a partir del tejido extraído de un capullo de una planta de yuca madura. Este grupo de células, llamado "callo", puede ser infectado con bacterias portadoras de los genes del procesamiento de la luz. Aunque sólo unas pocas células realmente incorporarán los genes, aquellas que lo hagan serán tratadas con un cóctel hormonal que las llevará a desarrollar un tallo y raíces.

En la yuca, esta transformación genética tarda de ocho a diez meses, si todo va bien. Otros cultivos alimentarios clave, como el arroz y las carillas, son un poco más rápidos.

Al final del pasillo, De Souza abre una habitación similar a un armario, inundada de luz artificial. En estanterías, las plántulas de yuca están creciendo en frascos de plástico, con sus raíces rodeadas por un gel nutritivo que será recogido a mano antes de que las plantas puedan ser enterradas.

Los campos experimentales de RIPE están a 10 minutos en coche de los laboratorios. En esta parte del país, las granjas en su mayoría cultivan soja y maíz. Es responsabilidad del gerente de pruebas de campo de RIPE, David Drag, descubrir cómo cultivar cosechas como la yuca y el arroz en el suelo de Illinois. Para un proyecto, un colaborador le ayudó a construir un arrozal. Pero recuerda tristemente que en 2015 uno de los proyectos claves de RIPE se ahogó en una fuerte tormenta de finales de temporada, a pesar de los esfuerzos del equipo para cavar trincheras y presas. Se perdió un año de trabajo, una dura lección de que incluso la ciencia agrícola más avanzada está todavía a merced de la naturaleza.

Foto: este campo de soja forma parte de un experimento para determinar los efectos del cambio climático en la fotosíntesis.

Foto: las plantas de tabaco manipuladas en este invernadero se embolsan para recoger las semillas que caen, para su uso en futuras pruebas.

Fotos: Izquierda: este robot se mueve por los campos de cultivo para medir la biomasa y otros aspectos del crecimiento de las plantas.
Derecha: este aparato, sujeto a una hoja de tabaco, prueba el metabolismo de la planta. Mide la temperatura y la humedad en la superficie de la hoja y conduce el oxígeno y otros gases emitidos por la hoja a un analizador químico.

Foto: Estas jóvenes plantas de yuca han sido genéticamente modificadas para procesar la luz solar de manera más eficiente.

Fotos: Izquierda: algunas de las investigaciones básicas sobre la biología molecular de la fotosíntesis se realizan en algas en placas de Petri. Derecha: un mapa de la clorofila en una planta, hecho por un generador de imágenes de fluorescencia.

Fotos: Izquierda: un generador de imágenes de fluorescencia expone a las plantas a destellos de luz brillante para medir la rapidez con que responden a los cambios en los niveles de luz.
Derecha: vista del interior del generador de imágenes de fluorescencia.