Genmanipulerte mikrober lager sin egen gjødsel, kunne mate verden fattigste

Radiser matet gjødsel av mikrober i jorda (til høyre) blir større enn kollegene uten feilene.

Nocera lab, Harvard University

Genmanipulerte mikrober lager sin egen gjødsel, kunne mate verden fattigste

Av Robert F. ServiceApr. 4, 2017, 14:15

SAN FRANCISCO, CALIFORNIA Industriell gjødsel hjelper til å fôre milliarder av mennesker hvert år, men de forblir utenfor rekkevidden for mange av verdens fattigste bønder. Nå har forskere konstruert mikrober som, når de blir lagt til jord, lager gjødsel etter behov, og produserer planter som blir 1, 5 ganger større enn avlinger som ikke blir utsatt for avlytting eller annen syntetisk gjødsel. Forskuddet, rapportert her denne uken på et møte i American Chemical Society, kunne hjelpe bønder i de fattigste delene av verden å øke avlingene og bekjempe kronisk underernæring.

En sentral komponent i gjødsel er nitrogen, et element som er essensielt for å bygge alt fra DNA til proteiner. Nitrogen er rundt oss, og består av 80% av luften vi puster inn. Men at nitrogen er inert, bundet opp i molekyler som planter og mennesker ikke kan få tilgang til. Noen mikrober har utviklet proteiner som kalles nitrogenaser som kan dele fra hverandre nitrogenmolekyler i luften og sveise det nitrogen til hydrogen for å lage ammoniakk og andre forbindelser som planter kan absorbere for å få nitrogenet sitt.

Den industrielle prosessen for fremstilling av gjødsel, oppfunnet for mer enn et århundre siden av et par tyske kjemikere Fritz Haber og Carl Bosch utfører den samme molekylstrikkingen. Men Haber-Bosch-prosessen, som det nå er kjent, nødvendiggjør høyt trykk og temperaturer for å fungere. Det krever også en kilde til molekylært hydrogen (H 2 ). Typisk metan som er den viktigste komponenten i naturgass. Metan i seg selv er ikke veldig dyrt. Men behovet for å bygge massive kjemiske anlegg for å omdanne metan og nitrogen til ammoniakk, så vel som den enorme infrastrukturen som er nødvendig for å distribuere det, forhindrer mange fattige land i lett tilgang til gjødsel.

For noen år siden utviklet forskere ledet av Harvard University-kjemiker Daniel Nocera det de kaller et kunstig blad som bruker en halvleder kombinert med to forskjellige katalysatorer for å fange opp sollys og bruke den som høstet energi for å dele vannmolekyler (H 2 O) i H 2 og oksygen (O 2 ). På den tiden fokuserte Nocera s gruppe på å bruke det fangede hydrogenet som et kjemisk drivstoff, som enten kan brennes direkte eller kjøres gjennom en enhet som kalles en brenselcelle for å produsere strøm. Men i fjor rapporterte Nocera at teamet hans hadde konstruert bakterier kalt Ralstonia eutropha for å mate på H 2 og karbondioksid (CO 2 ) fra luften og kombinere dem for å lage hydrokarbonbrensel. Neste trinn, sier Nocera, var å utvide omfanget av arbeidet sitt ved å prosjektere en annen type bakterie for å ta nitrogen ut av luften for å lage gjødsel.

Nocera og kollegene henvendte seg til en mikrobe kalt Xanthobacter autotrophicus, som naturlig har et nitrogenaseenzym. Men de trengte fortsatt en måte å gi feilene en kilde til H 2 for å lage ammoniakk. Så de genetisk utviklet Xanthobacter, og ga dem et enzym kalt en hydrogenase, som lar dem mate på H 2 for å lage en form for cellenergi kalt ATP. De bruker deretter ATP, ekstra H2 og CO 2 fra luften for å syntetisere en type bioplast kalt polyhydroksybutyrat, eller PHB, som de kan lagre i kroppene sine.

Det er her mikrobenes nitrogenaseenzym sparker i. Bakteriene høster H 2 fra PHB-butikken deres og bruker nitrogenasen sin til å kombinere den med nitrogen fra luften for å lage ammoniakk, som er utgangsmaterialet for gjødsel. Det fungerer ikke bare på laboratoriet: Nocera rapporterte i går på møtet at da han og kollegene la den konstruerte Xanthobacter-en i løsning og brukte den løsningen på vann av reddikavlinger, vokste grønnsakene 150% større enn kontrollene som ikke ble gitt feilene eller annen gjødsel.

Leif Hammarström, en kjemiker ved Uppsala universitet i Sverige som også jobber med å lage brensel fra solenergi, sier han var imponert over arbeidet. Å lage ammoniakk uten å bruke en industriell prosess "er en veldig utfordrende kjemi, " sier han. “Dette er en god tilnærming.” Det kan til og med være en som kan hjelpe mange av verdens fattige. Nocera sier at Harvard har lisensiert intellektuell eiendom for den nye teknologien til Institute of Chemical Technology i Mumbai, India, som jobber for å skalere opp teknologien for kommersiell bruk over hele kloden.