Можно ли научить кукурузу фиксировать собственный азот?
Азотные удобрения необходимы для прибыльного производства кукурузы, но они также являются крупной статьёй расходов и могут наносить ущерб окружающей среде. Возможно ли «научить» кукурузу фиксировать собственный азот, устранив необходимость во внесении удобрений? Инженер-агроном из Университета Иллинойса Каустубх Бхалерао считает, что это возможно с помощью исследований в новой области — синтетической биологии.
«Мы уже достаточно понимаем, как работают гены и как производятся белки, чтобы задуматься о перепрограммировании живых клеток», — говорит Бхалерао. Синтетическая биология — это новая область, сочетающая науку и инженерию для проектирования и создания новых биологических функций и систем.
Бхалерао возглавляет междисциплинарный исследовательский проект с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, Стэнфорда, Кембриджа и Университета Ньюкасла. Цель — создать системы, позволяющие бактериям пространственно организовываться, общаться с клетками растений и управлять ими. Исследование финансируется грантом в размере около $2 млн от Национального научного фонда США и Совета по инженерным и физическим наукам Великобритании.
Как работают бактериальные усилители
Исследование Бхалерао сосредоточено на создании систем, в которых бактерии ведут себя как усилители. Учёные разработали эквивалент усилителя внутри бактерий: они чувствуют присутствие аминокислоты в окружающей среде и в ответ производят белок. Положительная обратная связь в генной схеме усиливает производство этого белка.
Благодаря таким усилителям системы становятся более чувствительными. Бактериальные биосенсоры могут обнаруживать гораздо более низкие концентрации веществ, а в системах, предназначенных для производства определённой молекулы, можно генерировать гораздо больший выход продукта.
Цель: научить кукурузу фиксировать азот
Одно из конкретных направлений — разработка системы, позволяющей азотфиксирующим бактериям общаться с корневой системой кукурузы.
Соя фиксирует собственный азот, посылая сигнал бактериям, побуждая их колонизировать корни растения. Создав подходящую среду, бактерии начинают фиксировать азот для растения. В результате соя естественным образом богата азотом и является белковым продуктом.
«Почему бы не научить этому кукурузу? Это уменьшит потребность в нефтехимических удобрениях, что имеет огромное значение для устойчивого сельского хозяйства», — говорит Бхалерао.
Широкие перспективы синтетической биологии
Синтетическая биология — быстрорастущая область с широким спектром потенциальных применений. Учёные уже создают биосенсоры, чувствительные к свету, урану, ржавчине и т.д. Среди разрабатываемых концепций — бактериальные фотопластинки, помощь в добыче урана или обнаружение неразорвавшихся мин в почве.
«Эта технология позволяет нам искать новые решения серьёзных проблем, таких как обеспечение продовольствием или производство питьевой воды», — отмечает Бхалерао.
Он сравнивает текущий этап развития синтетической биологии с ранней стадией электроники — этапом создания транзистора: «Мы не можем предсказать, как будет выглядеть "Интернет" этой технологии».