U 1980-ima Howard-Yana Shapiro, sada glavni poljoprivredni direktor tvrtke Mars, Incorporated, tražio je nove vrste kukuruza. Bio je u okrugu Mixes u Oaxaci na jugu Meksika, području u kojem su se prvi put razvili prekursori kukuruza (aka kukuruza) kada je pronašao neki od najčudnijih kukuruza ikada viđen. Ne samo da je visok 16 do 20 stopa, dok je na američkim poljima izvrtao dvanaest stopa, trebalo je sazrijevanje šest do osam mjeseci, puno duže od 3 mjeseca koja su potrebna za konvencionalni kukuruz. Ipak je narastao do onih impresivnih visina u onome što se dobrotvorno može nazvati siromašnim tlom, bez upotrebe gnojiva. No, najčudniji dio kukuruza bili su njegovi zračni korijeni - zeleni i ružičasti, ispupci nalik prstima koji strše izvan stabljika kukuruza, kaplje bistrim, sirupljivim gelom.
Shapiro je posumnjao da su ti sluzavi prsti možda Sveti Gral poljoprivrede. Vjerovao je da korijenje dopušta ovoj jedinstvenoj sorti kukuruza, nazvanoj Sierra Mixe i lokalno uzgajanom stotinama, pa čak i tisućama godina, da proizvede vlastiti dušik, ključni hranjivi sastojak za usjeve koji se obično primjenjuje kao gnojivo u epskim količinama.
Ideja se činila obećavajućom, ali bez DNK alata koji bi sagledali specifičnosti načina na koji kukuruz stvara dušik otkriće je stavljeno na policu. Skoro dva desetljeća kasnije, 2005. godine, Alan B. Bennett sa Kalifornijskog sveučilišta, Davis - zajedno sa Shapirom i drugim istraživačima - počeo je koristiti vrhunsku tehnologiju da bi uvidio u svojstva flegmijskog kukuruza za fiksiranje dušika, otkrijevši to, bakterije koje žive u sluzi povlačile su dušik iz zraka, pretvarajući ga u oblik koji kukuruz može apsorbirati.
Nakon više od desetljeća terenskih istraživanja i genetskih analiza, tim je objavio svoj rad u časopisu PLOS Biology. Ako bi se svojstvo za fiksiranje dušika moglo uzgajati u uobičajeni kukuruz, što mu omogućava da proizvede čak i dio vlastitog dušika, to bi moglo smanjiti troškove uzgoja, smanjiti emisiju stakleničkih plinova i zaustaviti jedan od glavnih zagađivača u jezerima, rijekama i ocean. Drugim riječima, to bi moglo dovesti do druge revolucije dušika.
Sintetička proizvodnja dušika možda je najveće dostignuće 20. stoljeća. Otkrivanje Haber-Boschovog postupka i njegovih rafiniranja, u kojima se dušik uklanja s zraka pod visokom toplinom i pritiskom u prisutnosti katalizatora, dovelo je do tri odvojene Nobelove nagrade. I oni su zasluženo. Procjenjuje se da će usjev donijeti više nego udvostručen između 1908. i 2008., a sintetička dušična gnojiva odgovorna su za polovinu tog rasta. Neki su istraživači povezali masivni rast ljudske populacije u posljednjih sedamdeset godina s povećanom upotrebom dušičnih gnojiva. Bez njega morali bismo obraditi gotovo četiri puta više zemlje ili imati milijarde manje ljudi na svijetu.
No, proizvoditi sav taj dušik ima posljedice. Procjenjuje se da za izradu gnojiva postupkom Haber-Bosch troši između 1 i 2 posto svjetske energije, emitirajući puno stakleničkih plinova. A sintetički dušik rutinski ispire polja u vodene putove, vodeći do masovnog cvjetanja algi koje usisavaju sav kisik, ubijajući ribu i druge organizme. Toliko dušika ulazi u rijeke i potoke da su se na ustima svjetskih rijeka razvile velike mrtve zone, uključujući onu u Meksičkom zaljevu koja je prošle godine bila u veličini New Jerseyja. Mark Sutton iz britanskog Centra za ekologiju i hidrologiju naziva dušik "kumom zagađenja" - njegovi učinci su svuda, ali stvarno nikada ne vidite krivca.
Istraživači su čak presadili kukuruz u Madison u Wisconsinu, otkrivši da još uvijek može napraviti vlastiti dušik iz rodnog okoliša. (Foto: Jean-Michel Ané) Ali ne možemo samo prestati s dušikom ako ne vidimo znatna smanjenja u poljoprivredi. Iako bolje upravljanje i poljoprivredne prakse mogu pomoći da se izbjegne vodni put, te strategije nisu dovoljne da riješe ekološke probleme dušika. Zbog toga su se istraživači desetljećima pitali postoji li način pomoći usjevima žitarica poput kukuruza i pšenice u proizvodnji vlastitog dušika.
Ideja nije tako daleka kao što zvuči. Mnogo biljaka, posebno mahunarke poput soje, kikirikija i djeteline, imaju simbiotski odnos s bakterijama Rhizobium, koje proizvode dušik za njih. Biljke rastu korijenske kvržice na kojima bakterije borave i piju biljni šećer, pretvarajući dušik u zraku u oblik koji biljke mogu koristiti. Ako se može utvrditi slična simbiotska povezanost koja djeluje na usjevima žitarica poput kukuruza i pšenice, istraživači vjeruju da bismo mogli smanjiti upotrebu onečišćivača.
Zato je kukuruz sluzi toliko važan i zašto su Bennett i njegov tim proveli osam godina proučavajući i ponovno proučavajući bakterije i gel kako bi se uvjerili da kukuruz doista može proizvesti vlastiti dušik. Pomoću sekvenciranja DNA uspjeli su prikazati mikrobe u genima koji služe za uklanjanje dušika i pokazali su da gel izlučuje kukuruz, koji sadrži visoki šećer i malo kisika i savršeno je dizajniran da potakne fiksaciju dušika. Korištenjem pet različitih ispitivanja pokazali su da se dušik koji stvaraju mikrobi prošao kroz kukuruz, osiguravajući 30 do 80 posto potreba biljke. Zatim su proizveli sintetičku verziju mulja i zasijali je mikrobovima otkrivši da oni proizvode i dušik u tom okruženju. Čak su uzgajali Sierra Mixe u Davisu, Kaliforniji i Madisonu u Wisconsinu, pokazujući da može izvoditi svoj poseban trik izvan svog kućnog travnjaka u Meksiku.
"Ovaj se mehanizam potpuno razlikuje od mahunarki", kaže Bennett, dodajući da može postojati i u drugim kulturama. „Sigurno je zamisliti da slični sustavi postoje u mnogim žitaricama. Sorga, na primjer, ima zračne korijene i sluz. Možda drugi imaju suptilnije mehanizme koji se pojavljuju u podzemlju i koji bi mogli postojati šire. Sad kad smo svjesni, možemo ih potražiti. "
Koautor Jean Michel-Ane sa Sveučilišta Wisconsin u Madisonu slaže se da ovo otkriće otvara sve vrste novih mogućnosti. „Inženjering kukuruza za popravljanje dušika i stvaranje korijenskih kvržica poput mahunarki bio je san i borba znanstvenika desetljećima. Ispada da je ovaj kukuruz razvio potpuno drugačiji način rješavanja ovog problema sa fiksiranjem dušika. Znanstvena zajednica vjerojatno je podcijenila fiksaciju dušika u drugim usjevima zbog svoje opsesije korijenskim kvržicama ", kaže se u izjavi. „Ovaj kukuruz pokazao nam je da priroda može pronaći rješenja za neke probleme daleko više od onoga što znanstvenici ikada mogu zamisliti.“
Ispada da priroda ima još više trikova koji stvaraju dušik u rukavu da se istraživači tek snalaze. Postoji još nekoliko projekata koji su u tijeku s ciljem dobivanja žitarica i povrća koje će učiniti Haber-Bosching za nas. Jedno od najperspektivnijih je uporaba endofita, odnosno mikroorganizama poput bakterija i gljivica, koji žive u međućelijskim prostorima biljaka. Istraživačica sa Sveučilišta Washington, Sharon Doty, zainteresirala se za organizme prije nekoliko desetljeća. Proučavala je vrbe i topole, koja su među prvim stablima koja su rasla na uznemirenom zemljištu nakon događaja poput vulkanske erupcije, poplave ili stijena. Ta su stabla rasla iz šljunka rijeke, s gotovo nikakvim pristupom dušiku u tlu. Unutar njihovih stabljika, međutim, Doty je pronašla endofite koji su fiksirali dušik za drveće i nisu potrebni korijenski noduli. Od tada je izazivala desetke različitih vrsta endofita, od kojih mnogi pomažu biljkama na iznenađujući način. Neki proizvode dušik ili fosfor, drugi su važni hranjivi sastojci, dok drugi poboljšavaju rast korijena, a neki omogućuju biljkama da opstanu u uvjetima suše ili visoke soli.
"Postoji čitav niz različitih mikroba koji mogu popraviti dušik i širok raspon biljnih vrsta pod utjecajem njih", kaže ona. Njeni testovi pokazali su da mikrobi mogu udvostručiti produktivnost biljaka paprike i rajčice, poboljšati rast riže i pružiti otpornost na sušu stablima poput Douglasovih jelki. Neki čak dopuštaju da drveće i biljke usisavaju i razgrade industrijska onečišćenja te se sada koriste za čišćenje mjesta Superfund. „Prednost upotrebe endofita je u tome što je to zaista velika skupina. Pronašli smo sojeve koji rade s rižom, kukuruzom, rajčicom, paprikom i ostalim poljoprivredno važnim biljkama. "
Zapravo, endofiti bi mogli prije ući u ruke farmera. Poduzeće IntrinsyxBio iz Los Altosa, Kalifornija, prodaje neke od Dotyjevih endofita. Glavni znanstveni direktor John L. Freeman kaže u intervjuu da je tvrtka na putu da proizvod pripremi za tržište 2019. Cilj je isporučiti nekoliko sojeva endofita u biljke, najvjerojatnije prevlačenjem sjemena. Nakon što te bakterije borave unutar biljke, trebale bi istisnuti oko 25 posto dušika koji joj treba.
Druga biotehnička kompanija, nazvana Pivot Bio, nedavno je objavila da beta testira slično rješenje, koristeći mikrobe koji učvršćuju dušik koji rastu u korijenovim sustavima kukuruza.
Novonastalo područje sintetske biologije također rješava problem s dušikom. Joyn Bio sa sjedištem u Bostonu, nastao prošlog rujna, zajednički je projekt između Bayer-a i Ginkgo Bioworks, biotehničke tvrtke s iskustvom stvaranja prilagođenih kvasaca i bakterija za industriju hrane i okusa, među ostalim projektima „dizajnerskog mikroba“. Joyn se trenutno češlja kroz Bayerovu knjižnicu s preko 100 000 mikroba kako bi pronašla domaćina koji može uspješno kolonizirati biljke, slično Dotyjevim endofitima. Potom se nadaju da će „šasiju domaćina“ ugađati genima koji će mu omogućiti fiksiranje dušika. "Umjesto da se oslonimo na prirodu i pronađemo čarobnog mikroba za koji ne mislimo da postoji, želimo pronaći mikroba domaćina i fino ga prilagoditi da radi ono što trebamo za kukuruz ili pšenicu", kaže izvršni direktor Joyna Michael Miille,
Zaklada Gates također je u igri, podržavajući projekte kojima se pokušava u žitarice unijeti sposobnosti mahunarki koje učvršćuju dušik. Ostali se timovi nadaju da će se pojavom kvantnog računanja s velikim naponom otvoriti nova područja kemije i identificirati novi katalizatori koji će Haber-Bosch proces učiniti mnogo učinkovitijim.
Iako je malo vjerojatno da će samo jedno rješenje moći zamijeniti 100 posto sintetičkog gnojiva koje ljudi koriste, možda bi ovi projekti mogli napraviti ozbiljnu mrlju u zagađivanju dušikom. Bennett se nada da će Sierra Mixe i ono što je njegov tim naučio od nje biti dio revolucije dušika, iako priznaje da je to vrlo dug skok prije nego što njegovi vitki kukuruzni prsti počnu proizvoditi dušik u konvencionalnim kulturama. Sada želi identificirati gene koji stvaraju zračne korijene i utvrditi koji od tisuća mikroba otkrivenih u sluzi zapravo popravlja dušik.
"Mislim da bi ono što radimo moglo biti komplementarno tim pristupima [endoyfte i sintetske biologije]", kaže on. "Mislim da ćemo vidjeti mnoge divergentne strategije, a za 5 do 10 godina pojavit će se nešto što će utjecati na to kako kukuruz dobiva dušik."
Napomena urednika 15.8.18 .: Raniji nacrt ovog članka pogrešno je napisao ime Johna L. Freemana i pogrešno identificirao njegovu trenutnu tvrtku.
