科学家将开发出定制细菌,帮助人类结束人造化肥时代

摘要

在过去的 100 年里,自从德国化学家 Fritz Haber 和 Carl Bosch 发现从空气中强行提取氮肥的方法后,农民就一直在依赖这种并不完美的产品帮助作物生长。

编者注:本文转载自微信公众号 DeepTech深科技(ID:mit-tr),编辑:Vincent , 校审:郝锕铀。极客公园已获转载授权。


在过去的 100 年里,自从德国化学家 Fritz Haber 和 Carl Bosch 发现从空气中强行提取氮肥的方法后,农民就一直在依赖这种并不完美的产品帮助作物生长。

这种制造化肥的方法拥有众多缺点:生产过程每年消耗全球天然气 3% 的使用量,向大气中排放大量的温室气体,还造成水资源污染。这种依赖化石燃料生产化肥来生产食物的方法并不是可持续发展的。但是,要在全球变暖不断恶化的情况下解决 90 亿人的温饱问题,这也实属无奈之举。

一种解决方法是在人类的饮食结构中加入大量的豆科植物。花生、豌豆等的豆科植物能够为自身制造化肥,所以不会对气候造成破坏。

豆科植物可以作为一种叫做氮素固定者的细菌的寄主。这些细菌会侵入植物的根毛并形成结点状结构,来将土壤中丰富的氮元素转化为氨。植物会利用这些氨进行光合作用生产养料。然而,目前世界上的主要农作物(如玉米、大麦、水稻等)都不能作为氮素固定者的合适寄主。这就是为什么这些作物需要大量的人造化肥的原因。


图丨表面涂有特殊细菌的玉米种子能够防止植物根部被虫蛀。

解决这一问题还有另一种方法,那就是研制出一种不仅拥有强大的氮素固定能力,还能够在任何植物的根部生长的细菌。这样一来,我们就能够将这种细菌涂抹在拥有无限保质期的种子上并发售到世界上任何地方。

这就是一家农业科技创新企业的计划。这家企业宣称将对农作物种子的相关技术开展在截至目前同类企业中最大的投资。上周四,德国生化产业巨头拜尔(Bayer)宣布将与来自波士顿的生物科技初创公司 Ginkgo Bioworks 合作,共同创立一家新公司以试图结束人工化肥的时代。

新公司的临时 CEO、拜尔作物科技集团(Bayer Crop Science)生物部总管 Mike Miile 表示:「我们知道这些氮素固定者细菌能够为植物带来人工化肥所无法满足的好处。但是,由于这种细菌进化的结果,它们只能够结合到特定植物的根部。我们正在研究如何解决这个问题。」

新公司(目前还并没有名字)将会在 Ginkgo 即将竣工的全自动 DNA 车间以及拜尔作物科技集团(Bayer Crop Science)在西萨克拉门托的研发中心进行合作研究。拜尔公司的科研团队已经开始了对其拥有的细菌库进行检索来筛选出适合这种任务的细菌来寄给波士顿的实验室。在成百上千的细菌中,科研人员希望能够选择出多样化的众多氮素固定者使 Ginkgo 的研究人员能够最早在下个月前开始研究。

这种筛查工作能够让研究人员找出哪个基因是氮素固定的主要影响因素。然而,由于研究人员没有土壤中细菌的染色体图谱作为参考,这样的过程将会十分困难。不过,一旦这种筛查成功,研究人员将会利用这些基因来设计并合成 DNA 来生产新的细菌供研究人员进一步探索。

最终,研究人员将研发出一种能够结合氮素固定能力与种子表面吸附能力的细菌。这种细菌需要符合众多标准:能够离开水存活很久,并在种子重新接触水时再次活跃;能够在培养皿中生长(大部分自然中的氮素固定细菌都没有这种特点);还需要能够被批量化生产。


图丨在 Ginkgo 位于波士顿的 DNA 工坊中,机器人正在根据基因筛选特殊的细菌。(来源:Ginkgo Bioworks)

利用初始的 1 亿美元资金,以及目前最先进的 DNA 合成机器人,这个公司希望在接下来的 5 年之内在西萨克拉门托的农田中播种带有氮素固定者细菌涂层的。

但是,要实现这样的计划是困难重重。其中的一点原因是氮素固定是一个十分复杂的过程。在将氮素转化为氨的过程中,至少有 20 个基因与这个过程利用的蛋白质直接相关,而与其中新陈代谢过程间接相关的蛋白质还需要牵扯到更多的基因。总之,要重建这种自然中最基本的生化过程是一项巨大的挑战。

即使研究人员成功重建了这种过程,要在现实世界中实现这种细菌的应用是十分困难的。研究人员对于发芽的种子周围的环境(叫做 spermosphere)的知识十分有限:我们并不知道生长中的植物所产生的糖分、酶以及细菌对周围土壤的影响。

总而言之,豆科植物与寄生的氮素固定者细菌之间的关系是数百万年来进化的结果。我们对其他植物如水稻、小麦以及玉米等是否也能够产生这种关系一无所知。Ginkgo 公司的合伙创始人以及首席执行官 Jason Kelly 表示:「我们在这方面知识不足将成为我们需要克服的主要挑战之一。但是,植物对氮素的需求正是这种寄生关系产生的重要推动原因之一。生物进化的趋势必然有利于实现我们的目标。」我们很有可能在不久的将来见到这项技术为我们所带来的效益

参考:

https://www.wired.com/story/with-designer-bacteria-crops-could-one-day-fertilize-themselves

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