Στη δεκαετία του 1980, ο Howard-Yana Shapiro, τώρα επικεφαλής γεωργικός αξιωματούχος του Mars, Incorporated, αναζητούσε νέα είδη καλαμποκιού. Ήταν στην περιοχή Mixes της Oaxaca στο νότιο Μεξικό, την περιοχή όπου προέκυψαν οι πρόδρομοι του καλαμποκιού (γνωστός και ως καλαμπόκι), όταν βρήκε μερικά από τα πιο περίεργα καλαμπόκι που είχαν δει ποτέ. Όχι μόνο ήταν 16 έως 20 πόδια ψηλό, νάγκινγκ το υλικό των 12 ποδιών στα αμερικανικά χωράφια, χρειάστηκε έξι έως οκτώ μήνες για να ωριμάσει, πολύ περισσότερο από τους 3 μήνες που χρειάζονται για το συμβατικό καλαμπόκι. Ωστόσο, μεγάλωσε σε αυτά τα εντυπωσιακά ύψη σε αυτό που μπορεί να ονομαστεί φτωχό έδαφος, χωρίς τη χρήση λιπάσματος. Αλλά το πιο περίεργο κομμάτι του καλαμποκιού ήταν οι αεροφωτογραφίες του - πράσινες και ροδοκόκκινες προεξοχές που μοιάζουν με δάχτυλα, το μίσχο του καλαμποκιού, που στάζει με ένα σαφές, σιρόπι γέλη.
Ο Shapiro υποψιαζόταν ότι αυτά τα βλεννώδη δάχτυλα μπορεί να είναι το Άγιο Δισκοπότηρο της γεωργίας. Πιστεύει ότι οι ρίζες επέτρεψαν αυτή τη μοναδική ποικιλία καλαμποκιού, που ονομάστηκε Sierra Mixe και εκτράφηκε τοπικά για εκατοντάδες ή και χιλιάδες χρόνια, για να παράγει το δικό της άζωτο, ένα απαραίτητο θρεπτικό συστατικό για καλλιέργειες που συνήθως εφαρμόζονται ως λίπασμα σε επικές ποσότητες.
Η ιδέα φάνηκε πολλά υποσχόμενη, αλλά χωρίς εργαλεία DNA για να εξετάσει τις ιδιαιτερότητες του πώς το καλαμπόκι δημιουργούσε άζωτο, η ανακάλυψη έπαυσε. Σχεδόν δύο δεκαετίες αργότερα, το 2005, ο Alan B. Bennett του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, ο Ντέιβις μαζί με τον Shapiro και άλλους ερευνητές, άρχισαν να χρησιμοποιούν τεχνολογία αιχμής για να εξετάσουν τις ιδιότητες που καθορίζουν το άφθονο του καλαμποκιού, τα βακτήρια που ζουν στην βλέννα τραβούν άζωτο από τον αέρα, μετατρέποντάς το σε μια μορφή που το καλαμπόκι θα μπορούσε να απορροφήσει.
Τώρα, μετά από μια δεκαετία έρευνας πεδίου και γενετικής ανάλυσης, η ομάδα έχει δημοσιεύσει το έργο τους στο περιοδικό PLOS Biology. Εάν το χαρακτηριστικό που καθορίζει το άζωτο μπορεί να εκτραφεί σε συμβατικό καλαμπόκι, επιτρέποντάς του να παράγει ακόμη και ένα μέρος του δικού του αζώτου, θα μπορούσε να μειώσει το κόστος της καλλιέργειας, να μειώσει τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και να σταματήσει έναν από τους σημαντικότερους ρύπους στις λίμνες, ωκεανός. Με άλλα λόγια, θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια δεύτερη επανάσταση του αζώτου.
Η συνθετική παραγωγή αζώτου μπορεί να είναι το μεγαλύτερο επίτευγμα του 20ού αιώνα. Η ανακάλυψη της διαδικασίας Haber-Bosch και οι βελτιώσεις της, όπου το άζωτο απομακρύνεται από τον αέρα υπό υψηλή θερμότητα και πίεση παρουσία καταλύτη, οδήγησε σε τρία ξεχωριστά βραβεία Νόμπελ. Και αξίζουν καλά. Εκτιμάται ότι οι αποδόσεις των καλλιεργειών υπερδιπλασιάστηκαν μεταξύ του 1908 και του 2008, ενώ συνθετικά λιπάσματα αζώτου ευθύνονται για το ήμισυ αυτής της ανάπτυξης. Μερικοί ερευνητές έχουν συνδέσει την τεράστια αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού τα τελευταία εβδομήντα χρόνια με την αυξημένη χρήση αζωτούχων λιπασμάτων. Χωρίς αυτό, θα έπρεπε να εκμεταλλευτούμε σχεδόν τέσσερις φορές περισσότερη γη ή να έχουμε δισεκατομμύρια λιγότερους ανθρώπους στον κόσμο.
Αλλά παράγει όλο αυτό το άζωτο έχει συνέπειες. Εκτιμάται ότι η παραγωγή λιπάσματος μέσω της διαδικασίας Haber-Bosch χρησιμοποιεί μεταξύ 1 και 2% της παγκόσμιας ενέργειας, εκπέμποντας πολλά αέρια θερμοκηπίου. Και το συνθετικό άζωτο πλένει συνήθως στα χωράφια στις πλωτές οδούς, οδηγώντας σε τεράστιες ανθοφόρες εκρήξεις που απορροφούν όλο το οξυγόνο, σκοτώνουν τα ψάρια και άλλους οργανισμούς. Τόσο πολύ άζωτο πηγαίνει σε ποτάμια και ρέματα που μεγάλες νεκρές ζώνες έχουν αναπτυχθεί στα στόμια των ποταμών του κόσμου, συμπεριλαμβανομένου ενός στον Κόλπο του Μεξικού που πέρυσι ήταν το μέγεθος του Νιου Τζέρσεϋ. Ο Mark Sutton του Κέντρου Οικολογίας και Υδρολογίας του Ηνωμένου Βασιλείου καλεί το άζωτο "ο Νονός της ρύπανσης" - τα αποτελέσματα είναι παντού, αλλά ποτέ δεν βλέπετε πραγματικά τον ένοχο.
Οι ερευνητές μεταμόσχευσαν ακόμη το καλαμπόκι στο Μάντισον του Ουισκόνσιν, διαπιστώνοντας ότι ήταν ακόμα σε θέση να φτιάξει το δικό του άζωτο από το φυσικό περιβάλλον του. (Φωτογραφία: Jean-Michel Ané) Αλλά δεν μπορούμε απλά να εγκαταλείψουμε το άζωτο χωρίς να παρατηρήσουμε σημαντικές μειώσεις στη γεωργία. Ενώ οι καλύτερες πρακτικές διαχείρισης και καλλιέργειας μπορούν να βοηθήσουν στην απομάκρυνση από τις πλωτές οδούς, οι στρατηγικές αυτές δεν επαρκούν για τον καθορισμό των οικολογικών προβλημάτων του αζώτου. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι ερευνητές εδώ και δεκαετίες αναρωτήθηκαν αν υπήρχε ένας τρόπος να βοηθήσουμε τις καλλιέργειες δημητριακών όπως το καλαμπόκι και το σιτάρι να παράγουν το δικό τους άζωτο.
Η ιδέα δεν είναι τόσο μακρινή όσο ακούγεται. Πολλά φυτά, ιδίως όσπρια όπως η σόγια, τα φιστίκια και το τριφύλλι, έχουν μια συμβιωτική σχέση με βακτήρια Rhizobium, τα οποία παράγουν άζωτο γι 'αυτούς. Τα φυτά αναπτύσσονται οζώδη ρίζα όπου τα βακτήρια καταλαμβάνουν κατοικία και γουλιά για τα φυτικά σάκχαρα ενώ μετατρέπουν το άζωτο στον αέρα σε μια μορφή που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα φυτά. Εάν μια παρόμοια συμβιωτική σχέση θα μπορούσε να βρεθεί ότι λειτουργεί στις καλλιέργειες δημητριακών όπως το καλαμπόκι και το σιτάρι, οι ερευνητές πιστεύουν ότι θα μπορούσαμε να μειώσουμε τη χρήση του ρύπου.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το καλαμπόκι βλέννας είναι τόσο σημαντικό και γιατί ο Bennett και η ομάδα του πέρασαν οκτώ χρόνια σπουδών και εκ νέου μελέτη των βακτηρίων και πηκτής για να πείσουν ότι ο καλαμπόκι ήταν πράγματι σε θέση να παράγει το δικό του άζωτο. Χρησιμοποιώντας την αλληλούχιση του DNA, ήταν σε θέση να επιδείξουν τα μικρόβια στα γονίδια που φέρουν λάσπη για την στερέωση του αζώτου και κατέδειξαν τη γέλη, τα εκχυλίσματα καλαμποκιού, τα οποία είναι υψηλά επίπεδα σακχάρου και χαμηλού οξυγόνου, είναι τέλεια σχεδιασμένα για να ενθαρρύνουν τη σταθεροποίηση του αζώτου. Χρησιμοποιώντας πέντε διαφορετικές δοκιμές έδειξαν ότι το άζωτο που παράγεται από τα μικρόβια στη συνέχεια έφτασε στο καλαμπόκι, παρέχοντας 30 έως 80 τοις εκατό των αναγκών του φυτού. Έπειτα, παρήγαγαν μια συνθετική εκδοχή του λάσπη και το έβαλαν με τα μικρόβια, διαπιστώνοντας ότι παράγουν άζωτο και σε αυτό το περιβάλλον. Έχουν μεγαλώσει ακόμη και η Sierra Mixe στο Davis της Καλιφόρνιας και στο Madison του Wisconsin, δείχνοντας ότι θα μπορούσε να εκτελέσει το ιδιαίτερο κόλπο της έξω από το χλοοτάπητα στο Μεξικό.
"Ο μηχανισμός αυτός είναι εντελώς διαφορετικός από αυτό που χρησιμοποιούν τα όσπρια", λέει ο Bennett, προσθέτοντας ότι μπορεί να υπάρχει και σε άλλες καλλιέργειες. "Είναι βέβαιο ότι μπορούν να υπάρχουν παρόμοια είδη συστημάτων σε πολλά δημητριακά. Το Sorghum, για παράδειγμα, έχει τις ρίζες και το βλεννώδες υλικό. Ίσως άλλοι να έχουν πιο λεπτές μηχανισμούς που συμβαίνουν υπόγεια που θα μπορούσαν να υπάρξουν ευρύτερα. Τώρα που γνωρίζουμε, μπορούμε να τα αναζητήσουμε ».
Ο συν-συγγραφέας Jean Michel-Ane από το Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison, συμφωνεί ότι αυτή η ανακάλυψη ανοίγει όλους τους τύπους νέων δυνατοτήτων. "Το καλαμπόκι μηχανικής για τον καθορισμό του αζώτου και το σχηματισμό οζιδίων ρίζας όπως τα όσπρια είναι ένα όνειρο και ένας αγώνας επιστημόνων εδώ και δεκαετίες. Αποδεικνύεται ότι αυτό το καλαμπόκι ανέπτυξε έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο για να λύσει αυτό το πρόβλημα σταθεροποίησης του αζώτου. Η επιστημονική κοινότητα πιθανότατα υποτίμησε τη σταθεροποίηση του αζώτου σε άλλες καλλιέργειες λόγω της εμμονής της με ρίζες οζιδίων », λέει σε δήλωση. «Αυτό το καλαμπόκι μας έδειξε ότι η φύση μπορεί να βρει λύσεις σε κάποια προβλήματα πολύ πέρα από αυτό που οι επιστήμονες θα μπορούσαν ποτέ να φανταστούν».
Αποδεικνύεται ότι η φύση έχει ακόμη πιο άσπρα κομμάτια που παράγουν το μανίκι της, που οι ερευνητές μόλις παίρνουν μια λαβή. Υπάρχουν πολλά άλλα συνεχιζόμενα έργα που αποσκοπούν στην καλλιέργεια δημητριακών και λαχανικών να κάνουν το Haber-Bosching για εμάς. Ένα από τα πιο ελπιδοφόρα είναι η χρήση ενδοφυτικών ή μικροοργανισμών όπως τα βακτηρίδια και οι μύκητες που ζουν στους ενδοκυτταρικούς χώρους των φυτών. Ο ερευνητής του πανεπιστημίου της Ουάσινγκτον Σαρόν Ντότι είχε ενδιαφέρον για τους οργανισμούς πριν από μερικές δεκαετίες. Σπούδασε ιτιές και λεύκες, που είναι από τα πρώτα δέντρα που αναπτύσσονται σε διαταραγμένη γη μετά από γεγονότα όπως ηφαιστειακή έκρηξη, πλημμύρες ή καταρράκτες. Αυτά τα δέντρα αυξάνονταν από το χαλίκι του ποταμού, με σχεδόν καθόλου πρόσβαση στο άζωτο στο έδαφος. Εντός των στελεχών τους, όμως, ο Doty βρήκε ενδόφυτα τα οποία σταθεροποιούσαν το άζωτο για τα δέντρα, χωρίς απαραίτητα ριζώματα. Έκτοτε, διδάσκει δεκάδες ποικιλίες στελεχών endophyte, πολλά από τα οποία βοηθούν τα φυτά με εκπληκτικούς τρόπους. Ορισμένοι παράγουν άζωτο ή φωσφόρο, άλλο σημαντικό θρεπτικό συστατικό, ενώ άλλοι βελτιώνουν την ανάπτυξη των ριζών και μερικοί επιτρέπουν στα φυτά να επιβιώσουν σε συνθήκες ξηρασίας ή υψηλού αλατιού.
«Υπάρχει μια ολόκληρη σειρά από διαφορετικά μικρόβια που μπορούν να καθορίσουν το άζωτο και ένα ευρύ φάσμα φυτικών ειδών που επηρεάζονται από αυτά», λέει. Οι δοκιμές της έχουν δείξει ότι τα μικρόβια μπορούν να διπλασιάσουν την παραγωγικότητα των πιπεριών και των φυτών τομάτας, να βελτιώσουν την ανάπτυξη του ρυζιού και να προσδώσουν ανοχή στην ξηρασία σε δέντρα όπως τα έλατα Douglas. Κάποιοι επιτρέπουν ακόμη σε δέντρα και φυτά να απορροφούν και να καταστρέφουν βιομηχανικούς ρύπους και τώρα χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό των τοποθεσιών του Superfund. "Το πλεονέκτημα της χρήσης των endophytes είναι ότι είναι μια πολύ μεγάλη ομάδα. Βρήκαμε στελέχη που λειτουργούν με ρύζι, αραβόσιτο, ντομάτες, πιπεριές και άλλα γεωργικά φυτά. »
Στην πραγματικότητα, οι ενδυνάμεις θα μπορούσαν να φτάσουν στα χέρια των αγροτών νωρίτερα παρά αργότερα. Το Los Altos, με έδρα την Καλιφόρνια, IntrinsyxBio εμπορεύεται μερικά από τα endophytes της Doty. Ο επικεφαλής επιστήμονας John L. Freeman λέει σε μια συνέντευξη ότι η εταιρεία είναι σε καλό δρόμο για να έχει ένα προϊόν έτοιμο για αγορά το 2019. Στόχος είναι να παραδώσει αρκετές ποικιλίες endophytes σε φυτά, πιθανότατα από την επικάλυψη των σπόρων. Αφού τα βακτήρια αυτά εγκατασταθούν στο εσωτερικό του φυτού, πρέπει να αντλήσουν περίπου το 25% του αζώτου που χρειάζεται.
Μια άλλη εταιρεία βιοτεχνολογίας, που ονομάζεται Pivot Bio, ανακοίνωσε πρόσφατα ότι δοκιμάζει βήτα μια παρόμοια λύση, χρησιμοποιώντας μικροβιακά που καθορίζουν το άζωτο που αναπτύσσονται στα ριζικά συστήματα του καλαμποκιού.
Το νεοεμφανιζόμενο πεδίο της συνθετικής βιολογίας παίρνει επίσης μια ρωγμή στο πρόβλημα του αζώτου. Η Joyn Bio με έδρα τη Βοστώνη, που δημιουργήθηκε τον περασμένο Σεπτέμβριο, είναι ένα έργο μεταξύ της Bayer και της Ginkgo Bioworks, μιας βιοτεχνολογικής εταιρείας με εμπειρία που δημιουργεί έθιμα ζυμομύκητες και βακτηρίδια για τη βιομηχανία τροφίμων και αρωμάτων, μεταξύ άλλων έργων σχεδιαστών μικροβίων. Η Joyn χτενίζει σήμερα τη βιβλιοθήκη Bayer με πάνω από 100.000 μικρόβια για να βρει έναν οικοδεσπότη που μπορεί να αποικίσει με επιτυχία τα φυτά, παρόμοια με τα endophytes της Doty. Στη συνέχεια, ελπίζουν να τσίμπημα αυτό το "σασί υποδοχής" με γονίδια που θα του επιτρέψουν να καθορίσει το άζωτο. "Αντί να βασιζόμαστε στη φύση και να βρούμε ένα μαγικό μικρόβιο που δεν νομίζουμε ότι υπάρχει, θέλουμε να βρούμε το μικροβιακό μας μικροσκόπιο και να το προσαρμόσουμε ώστε να κάνει αυτό που χρειαζόμαστε για να κάνουμε για καλαμπόκι ή σιτάρι", λέει ο διευθύνων σύμβουλος της Michael Jones, .
Το ίδρυμα Gates είναι επίσης στο παιχνίδι, υποστηρίζοντας τα σχέδια που προσπαθούν να μεταδώσουν τις ικανότητες αζωτούχων οσπρίων στα δημητριακά. Άλλες ομάδες ελπίζουν ότι η εμφάνιση των υπερτροφοδοτούμενων κβαντικών υπολογιστών θα ανοίξει νέα πεδία χημείας και θα προσδιορίσει νέους καταλύτες που θα κάνουν τη διαδικασία Haber-Bosch πολύ πιο αποτελεσματική.
Ενώ είναι απίθανο μια μόνο λύση να είναι σε θέση να αντικαταστήσει το 100 τοις εκατό των συνθετικών λιπασμάτων που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι, ίσως μαζί αυτά τα έργα θα μπορούσαν να προκαλέσουν σοβαρή εξασθένιση της ρύπανσης με άζωτο. Ο Bennett ελπίζει ότι η Sierra Mixe και η ομάδα που έχει μάθει από αυτήν θα αποτελέσουν μέρος της επανάστασης του αζώτου, αν και παραδέχεται ότι είναι ένα πολύ μεγάλο άλμα πριν τα αδύνατα δάκτυλα του καλαμποκιού του αρχίσουν να παράγουν άζωτο σε συμβατικές καλλιέργειες. Τώρα θέλει να εντοπίσει τα γονίδια που παράγουν τις ρίζες των αεροσκαφών και να καταγράψει ποιες από τις χιλιάδες μικροβίων που ανακαλύφθηκαν στο βλεννώδες είναι στην πραγματικότητα το άζωτο.
"Νομίζω ότι αυτό που κάνουμε θα μπορούσε να είναι συμπληρωματικό σε εκείνες τις προσεγγίσεις [endoyphte και συνθετικής βιολογίας]", λέει. "Νομίζω ότι θα δούμε πολλές αποκλίνουσες στρατηγικές, και μέσα σε 5-10 χρόνια θα προκύψει κάτι που επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο το καλαμπόκι παίρνει άζωτο".
Σημείωμα του συντάκτη 8/15/18: Ένα προηγούμενο σχέδιο αυτού του άρθρου έσφαζε το όνομα του John L. Freeman και αναγνώρισε εσφαλμένα την τρέχουσα εταιρεία του.
