Током 1980-их, Ховард-Иана Схапиро, сада главни пољопривредни директор компаније Марс, Инцорпоратед, тражио је нове врсте кукуруза. Био је у округу Микес у Оакаци у јужном Мексику, области у којој су се први пут развили претечи кукуруза (ака кукуруз), када је пронашао неки од најчуднијих кукуруза икада виђен. Не само да је висок 16 до 20 стопа, док је на америчким њивама извртавао 12 стопа, требало је да сазри шест до осам месеци, далеко дуже од 3 месеца која су потребна за конвенционални кукуруз. Ипак је нарастао до оних импресивних висина у ономе што се добротворно може назвати сиромашним тлом, без употребе ђубрива. Али најчуднији део кукуруза били су његови ваздушни корени - зелене и ружичасте боје, испуцали прстом стабљика кукуруза, капље бистрим, сирупљивим гелом.
Схапиро је посумњао да би ти мукотрпани прсти могли бити Свети Грал пољопривреде. Вјеровао је да коријење допушта овој јединственој сорти кукуруза, која се назива Сиерра Мике и локално узгаја стотинама или чак хиљадама година, да произведе властити азот, основни храњиви састојак за усеве који се обично користи као ђубриво у епским количинама.
Идеја је изгледала обећавајућа, али без ДНК алата који би сагледао специфичности начина на који кукуруз ствара азот, откриће је одложено. Скоро две деценије касније, 2005. године, Алан Б. Беннетт са Калифорнијског универзитета у Дејвису - заједно са Схапироом и другим истраживачима - почео је да користи врхунску технологију да би сагледао својства флегмијског кукуруза за фиксирање азота, откривши да је заиста, бактерије које живе у слузи повлачиле су азот из ваздуха, претварајући га у облик који кукуруз може да апсорбује.
Након више од деценије теренског истраживања и генетске анализе, тим је објавио свој рад у часопису ПЛОС Биологи. Ако би се својство за фиксирање азота могло узгајати у уобичајени кукуруз, што му омогућава да произведе чак и део сопственог азота, то би могло да смањи трошкове пољопривреде, смањи емисију гасова са ефектом стаклене баште и заустави један од главних загађивача у језерима, рекама и океан. Другим речима, то би могло довести до друге револуције азота.
Синтетичка производња азота можда је највеће достигнуће 20. века. Откривање Хабер-Босцх процеса и његових рафинирања, у којима се азот уклања са ваздуха под високом топлином и притиском у присуству катализатора, довело је до три одвојене Нобелове награде. И заслужени су. Процјењује се да је принос усјева више него удвостручен између 1908. и 2008., а синтетичко азотно ђубриво је одговорно за половину тог раста. Неки истраживачи су повезали масовни раст људске популације у последњих седамдесет година са повећаном употребом азотних ђубрива. Без тога, морали бисмо обрађивати готово четири пута више земље или имати милијарде мање људи на свету.
Али производити сав тај азот има последице. Процјењује се да прављење гнојива путем Хабер-Босцх процеса користи између 1 и 2 посто свјетске енергије, емитујући пуно стакленичких плинова. А синтетички азот рутински испира поља у водене путеве, што доводи до масивних цветања алги које усисавају сав кисеоник, убијајући рибу и друге организме. Толико азота улази у реке и потоке да су се на устима светских река развиле велике мртве зоне, укључујући ону у Мексичком заљеву која је прошле године била у величини Њу Џерсија. Марк Суттон из британског Центра за екологију и хидрологију назива азот „кумом загађења“ - његови ефекти су свуда, али стварно никада не видите кривца.
Истраживачи су чак пресадили кукуруз у Мадисон у Висцонсину, откривши да још увек може да направи сопствени азот из родног окружења. (Фото: Јеан-Мицхел Ане) Али не можемо само престати са азотом а да не видимо знатна смањења у пољопривреди. Иако боље управљање и пољопривредне праксе могу помоћи да се избегне водени пут, те стратегије нису довољне да реше еколошке проблеме азота. Због тога су се истраживачи деценијама питали да ли постоји начин да се помогне усевима житарица попут кукуруза и пшенице у стварању сопственог азота.
Идеја није тако отиснута колико звучи. Много биљака, посебно махунарке попут соје, кикирикија и дјетелине, имају симбиотски однос са бактеријама Рхизобиум, које производе азот за њих. Биљке расту коријенске квржице на којима бактерије бораве и пију биљни шећер, претварајући азот у ваздух у облик који биљке могу да користе. Ако се може установити слична симбиотска веза која делује на усевима житарица попут кукуруза и пшенице, истраживачи верују да бисмо могли да смањимо употребу загађивача.
Због тога је кукуруз слузи толико важан и зашто су Беннетт и његов тим провели осам година проучавајући и поново проучавајући бактерије и гел како би се убедили да кукуруз заиста може да произведе сопствени азот. Помоћу ДНК секвенцирања успели су да покажу микробе у генима за ношење слузи за фиксирање азота и показали су гел којим се кукуруз излучује, што је висок шећер и мало кисеоника, а савршено је дизајниран да подстакне фиксацију азота. Употребом пет различитих тестова показали су да се азот који производе микроби ушао у кукуруз, обезбеђујући 30 до 80 одсто потреба биљке. Затим су произвели синтетичку верзију муља и посејали је микробовима, откривши да они производе и азот и у том окружењу. Чак су узгајали Сиерра Мике у Давису, Калифорнија и Мадисон у Висцонсину, показујући да би могао да изведе свој посебни трик изван свог кућног травњака у Мексику.
"Овај механизам се потпуно разликује од махунарки", каже Беннетт, додајући да може постојати и у другим усевима. „Сигурно је замислити да слични типови система постоје у многим житарицама. Сирек, на пример, има ваздушно корење и слуз. Можда други имају суптилније механизме који се дешавају под земљом и који би могли постојати шире. Сада када смо свесни, можемо да их потражимо. "
Коаутор Јеан Мицхел-Ане са Универзитета Висцонсин у Мадисону слаже се да ово откриће отвара све врсте нових могућности. „Инжењеринг кукуруза за поправљање азота и формирање коријенских нодула попут махунарки био је сан и борба научника деценијама. Испада да је овај кукуруз развио потпуно другачији начин да реши овај проблем фиксације азота. Научна заједница је вероватно потценила фиксацију азота у другим усевима због своје опседнутости коријенским квржицама “, каже се у изјави. „Овај кукуруз нам је показао да природа може пронаћи решења за неке проблеме далеко више од онога што научници икада могу замислити.“
Испада да природа има још више трикова који производе душик у рукаву да се истраживачи тек сналазе. Постоји још неколико пројеката у току који имају за циљ добијање житарица и поврћара да ураде Хабер-Босцхинг за нас. Једна од најперспективнијих јесте употреба ендофита, односно микроорганизама попут бактерија и гљивица, који живе у међућелијским просторима биљака. Истраживачица са Универзитета у Вашингтону Схарон Доти заинтересовала се за организме пре пар деценија. Проучавала је врбу и тополу, која су међу првим стаблима која су расла на узнемиреном земљишту након догађаја попут вулканске ерупције, поплаве или стене. Ова дрвећа су расла из речног шљунка, готово да нису имали приступ азоту у тлу. Међутим, у унутрашњости њихових стабљика, Доти је пронашла ендофите који су фиксирали азот за дрвеће, а нису потребни никакви коренски нодули. Од тада је изазивала десетине различитих врста ендофита, од којих многи помажу биљкама на изненађујући начин. Неки производе азот или фосфор, други су важни хранљиви састојци, док други побољшавају раст корена, а неки омогућавају биљкама да опстану у сушама или условима високог нивоа соли.
"Постоји читав низ различитих микроба који могу да фиксирају азот и широк спектар биљних врста под утицајем њих", каже она. Њени тестови су показали да микроби могу удвостручити продуктивност биљака паприке и парадајза, побољшати раст пиринча и пружити отпорност на сушу дрвећу попут јелки Доугласа. Неки чак дозвољавају да дрвеће и биљке усисавају и разграде индустријска загађења и сада се користе за чишћење места Суперфунд. „Предност употребе ендофита је та што је заиста велика група. Пронашли смо сојеве који делују са пиринчем, кукурузом, парадајзом, паприком и другим пољопривредно важним биљкама. "
У ствари, ендофити би то могли прећи у руке фармера пре и касније. Лос Алтос, ИнтринсикБио са седиштем у Калифорнији, продаје неке од Дотиевих ендофита. Главни научни директор Јохн Л. Фрееман каже у интервјуу да је компанија на путу да производ припреми за тржиште 2019. Циљ је испоручити неколико сојева ендофита у биљке, највероватније премазивањем семенки. Након што те бактерије бораве у биљци, оне би требале да испумпају око 25 процената азота који јој је потребан.
Друга биотехничка компанија, названа Пивот Био, недавно је објавила да бета тестира слично решење, користећи микробе који учвршћују азот који расту у коренинским системима кукуруза.
Новонастало поље синтетичке биологије такође је покренуто проблемом са азотом. Јоин Био са сједиштем у Бостону, основан прошлог септембра, заједнички је пројекат између Баиера и Гинкго Биоворкс, биотехничке компаније са искуством стварања квасца и бактерија по мери за индустрију хране и окуса, између осталих пројеката „дизајнерског микроба“. Јоин се тренутно чешља кроз Баиерову библиотеку од преко 100 000 микроба да би пронашла домаћина који може успешно колонизирати биљке, слично Дотијевим ендофитима. Затим се надају да ће „шасију домаћина“ измамити генима који ће му омогућити да фиксира азот. „Уместо да се ослањамо на природу и пронађемо чаробног микроба за који не мислимо да постоји, ми желимо да пронађемо свог домаћина микроба и фино га прилагодимо да ради оно што нам треба за кукуруз или пшеницу“, каже извршни директор Јоина Мицхаел Миилле .
Фондација Гатес такође је укључена у игру, подржавајући пројекте који покушавају да у житарице пренесу својства махунарки за учвршћивање азота. Још се други тимови надају да ће се појављивањем квантног рачунања са суперпуњавањем отворити нова подручја хемије и идентификовати нови катализатори који ће Хабер-Босцх процес учинити много ефикаснијим.
Иако је мало вероватно да ће само једно решење успети да замени 100 процената синтетичког ђубрива које људи користе, можда би ови пројекти заједно могли да направе озбиљну мрљу у загађивању азотом. Беннетт се нада да ће Сиерра Мике и оно што је његов тим научио из тога бити дио азотне револуције, иако је признао да је то врло дуг скок прије него што његови витки кукурузни прсти почну производити азот у конвенционалним културама. Сада жели да идентификује гене који производе ваздушне коренине и утврди који од хиљаде микроба откривених у слузи заправо фиксира азот.
"Мислим да би оно што радимо могло бити комплементарно тим приступима [ендоифте и синтетичке биологије], " каже он. "Мислим да ћемо видети многе дивергентне стратегије, а за 5 до 10 година појавиће се нешто што ће утицати на то како кукуруз добија азот."
Напомена уредника 15.08.18: Ранији нацрт овог чланка погрешно је написао име Јохна Л. Фреемана и погрешно идентификовао његову тренутну компанију.
