Азот даром и ваш белок бесплатно
Более половины белка в нашем организме напрямую связано с процессом, изобретённым более 100 лет назад двумя немецкими химиками, Фрицем Габером и Карлом Бошем. Процесс Габера-Боша искусственно фиксирует азот, разрывая инертную тройную связь молекулы азота и превращая её в аммиачное удобрение.
Однако растущее глобальное население и потребность в качественном белке заставляют фермеров всё больше зависеть от азотных удобрений. Это имеет свою цену.
Помимо прямых затрат, существует растущая осведомлённость о загрязнении окружающей среды из-за чрезмерного использования удобрений. Удобрения могут загрязнять водные пути, такие как Большой Барьерный риф.
Глобальное производство удобрений также является причиной 1.4% ежегодных выбросов CO2, а их использование — основная причина выбросов парниковых газов, не связанных с CO2.
Таким образом, перед человечеством стоит дилемма: как обеспечить достаточное количество пищи и белка для растущего населения, избежав при этом экономических и экологических издержек от применения азотных удобрений?
Снижение воздействия на окружающую среду без ущерба для продовольственной безопасности
Эту задачу решает доктор Крейг Вуд и его команда в CSIRO, используя передовую синтетическую биологию и биотехнологию растений для создания сельскохозяйственных культур, способных самостоятельно фиксировать азот для роста.
«Некоторые бактерии способны производить собственное удобрение, и этот уникальный естественный путь даёт нам шаблон для создания сельскохозяйственных культур с такими же способностями», — говорит доктор Вуд.
Его команда использует генетические шаблоны, доступные у бактерий, и перепроектирует их для стабильной экспрессии в сельскохозяйственных культурах. Полный шаблон ДНК, найденный у бактерий, производит фермент нитрогеназу — единственный биологический процесс, способный преобразовывать инертный газообразный азот (составляющий почти 78% атмосферы Земли) в ценный аммиак.
Чтобы нитрогеназа могла функционировать в растении, исследователи CSIRO размещают весь бактериальный путь в митохондриях растений — субклеточном компартменте, где концентрация кислорода очень низка, а биологической энергии — в изобилии.
Генетический путь для реконструкции нитрогеназы в растениях включает примерно 10 различных компонентов. CSIRO показала, что каждый из этих компонентов можно успешно перенести в митохондрии растений. Следующий этап — сборка функциональных компонентов внутри растения, что требует продвинутых навыков в молекулярной биологии и биохимии.
Глобальная гонка за улучшение устойчивости сельского хозяйства
«CSIRO участвует в гонке с аналогичными подходами, которые проводятся в Испании, Китае, США и Великобритании. Все эти страны видят необходимость снизить зависимость от удобрений, и синтетическая биология предлагает уникальный шанс сделать это», — говорит доктор Вуд.
«За последние два года произошли значительные прорывы, и, по моему мнению, у нас будут растения, содержащие функциональную нитрогеназу, в течение пяти лет».
Ранее CSIRO уже разрабатывала генетически модифицированные культуры со сложными метаболическими путями, например, для производства омега-3 масел в семенах канолы. Все подобные подходы проходят полный спектр регуляторных проверок, чтобы гарантировать безопасность растений для пищевой цепи и окружающей среды.
Аналогичная разработка и последующее внедрение культур со способностью к фиксации азота сыграют значительную роль в переходе сельского хозяйства к устойчивому будущему.