Con las bacterias del diseñador, las cosechas podrían un día fertilizarse
Por Megan Molteni, para Wired Septiembre 13 de 2017
Durante los últimos 100 años, desde que los químicos alemanes Fritz Haber y Carl Bosch descubrieron cómo extraer fertilizantes de la nada con la fuerza bruta de la química, los agricultores han confiado en un producto imperfecto para hacer crecer sus plantas: los fertilizantes. La producción de la materia quema el 3 por ciento del gas natural del mundo anualmente, libera toneladas de carbono en la atmósfera y corre hacia ríos y arroyos y acuíferos. Confiar en los combustibles fósiles para cultivar alimentos nunca fue exactamente sostenible. Pero a medida que el mundo piensa en lo que se necesita para alimentar a 9 mil millones de personas en un clima que cambia rápidamente, se vuelve inconcebible.
Una solución sería para todos empezar a comer muchas más legumbres.
Cacahuetes, guisantes y muchos tipos de frijoles son favorablemente climáticos porque básicamente hacen su propio fertilizante. Ellos son anfitriones de una clase especial de microbios llamados fijadores de nitrógeno que invaden los pelos radiculares de sus plantas huésped, formando nodos knobby y la conversión de nitrógeno libre en el suelo a amoníaco. Esa es la cosa que las plantas necesitan para hacer comida por sí mismas a través de la fotosíntesis. La mayoría de los cultivos alimentarios más grandes del mundo, como el maíz, el trigo y el arroz, no son tan hospitalarios para los fijadores de nitrógeno. Es por eso que requieren tanto fertilizante artificial para crecer.
O, usted podría diseñar una gran cantidad de microbios que tienen todo el poder de fijación de nitrógeno de los amigos folículos del cacahuete, pero con la capacidad de colonizar las raíces de cualquier planta. Entonces podrías pintar esa bacteria en semillas estables y enviarlas a cualquier parte del mundo. Eso es lo que un nuevo arranque, con la mayor inversión de semillas de cualquier empresa de tecnología agrícola, planea hacer hasta la fecha este año. El jueves, el gigante alemán de bioquímicos Bayer anunció que se uniría a Gingko Bioworks, una tienda de biología sintética con sede en Boston, para crear una nueva empresa para quitar la necesidad del fertilizante.
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Las bacterias y la luz solar
Por supuesto, el amoníaco existía en la Tierra mucho antes de que Haber y Bosch fueran largos. Durante millones de años, las bacterias fijadoras de nitrógeno en el suelo han estado tomando nitrógeno del aire y convirtiéndolo en amoníaco, que a su vez es absorbido por las plantas, que son comidas por los animales, humanos y no humanos. Usted tiene nitrógeno en sus células de estas bacterias, también.
Así que en la búsqueda de nuevas formas de fabricar amoníaco, los científicos han recurrido a la imitación de la naturaleza. "Biología hace esta reacción de una manera bastante simple en comparación con Haber-Bosch", dice Paul King, un fotobiólogo en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable. Por un lado, sucede a temperatura ambiente, ya que cualquier cosa viva sería cocida y aplastada en las condiciones de Haber-Bosch. Las bacterias fijadoras de nitrógeno tienen enzimas que agarra las moléculas de N2 e iones H +, orientándolas de la manera correcta para que formen amoníaco o NH3.
Esta reacción requiere una sacudida de energía. En bacterias, proviene de romperse un pedazo de una molécula llamada ATP. Pero King ha descubierto algo más sencillo: la luz del sol. En un artículo publicado recientemente en Science, su grupo fabricó nanorods sensibles a la luz, similares a lo que podría encontrar en los paneles solares, que se conectan a la enzima para darle un zap. Básicamente, todo lo que tienes que hacer es mezclar este material a base de cadmio, algunas enzimas, y dejarlo en el sol. Voila, el amoníaco, aunque sólo una pequeña cantidad de él.
¿El problema con hacer más amoníaco? "Las enzimas son realmente costo prohibitivo", dice King. Las enzimas son moléculas increíblemente complejas que tienen que ser purificadas de bacterias vivas. "Hace días y días y mucha agua para separarlo, y terminas con menos de un microgramo", dice Kanatzidis. "Ni siquiera podemos contemplar el uso de eso."
En Northwestern, Kanatzidis está buscando una forma de reemplazar la enzima con un material hecho por el hombre llamado chalcogel. En otro artículo publicado recientemente, su equipo tomó los metales comúnmente encontrados en los sitios activos de las enzimas y los agrupó. El racimo es negro, por lo que también absorbe la energía de la luz. Cuando los investigadores dispersan el material en el agua, brillan la luz del sol en él y el gas del nitrógeno de la burbuja a través, consiguen el amoníaco. Y esta vez, no hay enzimas caras.
Se trata de un costo diferente sin embargo. La enzima fijadora de nitrógeno ha evolucionado durante millones de años para captar N2 y H +; en comparación, el chalcogel es sólo una aproximación cruda, y es miles de veces más lento que el proceso natural. El sistema impulsado por luz de King, el que todavía usa una enzima, sintetiza el amoníaco en aproximadamente el 63 por ciento de la velocidad natural de la enzima. Y ambos no son tan fácilmente escalables a los niveles de Haber-Bosch. Sin embargo, otros grupos han experimentado con membranas poliméricas y moléculas basadas en titanio, aunque también tienen problemas de durabilidad y eficiencia.
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Más sobre Probioticos para las Plantas
Este otoño, los agricultores están cosechando 50.000 hectáreas del algodón plantado con un aerosol microbiano diseñado para mejorar los rendimientos en condiciones de bajo nivel de agua.
Un misterio crucial del clima se esconde justo debajo de sus pies
Un científico busca una tierra vieja, y su investigación revela un resultado prometedor: los humanos pueden retardar el cambio climático simplemente alimentando a la gente.
Good Riddance, productos químicos: Los microbios son nuevos pesticidas calientes de la agricultura
Con la política alimentaria de hoy en día, los fertilizantes químicos y los pesticidas que fantásticamente aumentaron los rendimientos en el siglo XX ya no están tan calientes.
"Sabemos fundamentalmente que los microbios proveerán beneficios a las plantas que los productos químicos no pueden", dice Mike Miille, director de Bayer Crop Science, quien también será el CEO interino de la nueva compañía. "Pero estos microbios fijadores de nitrógeno han sido limitados en lo que pueden hacer por lo que la evolución de las plantas los ha empujado hacia. Estamos tratando de cambiar eso. "
La compañía (que hasta ahora no tiene nombre) operará conjuntamente con la fundición de ADN automatizada de Ginkgo que pronto se completará y el centro de I + D de Bayer Crop Science en West Sacramento. El equipo científico de Bayer ya ha comenzado a cribar su biblioteca microbiana para las criaturas candidatas para enviar a Boston. Con cientos de miles de bacterias para tamizar a través de ellos, esperan reunir un conjunto diverso de fijadores de nitrógeno para los científicos en Ginkgo para comenzar la secuenciación tan pronto como el próximo mes.
Esta fase de prospección podría darles una buena idea de qué genes son más importantes para la fijación de nitrógeno. Sin embargo, si funciona, planean usar ese mapa genético para diseñar y sintetizar ADN personalizado para nuevos microbios que puedan crecer y estudiar en el laboratorio.
En última instancia, este grupo está tratando de diseñar una bacteria que combina las habilidades de fijación de nitrógeno con las fuerzas de la capa de semilla-que tiene que ser capaz de sobrevivir sin agua durante largos períodos de tiempo y luego activar tan pronto como se moja. También tiene que gustar crecer en una placa de Petri (la mayoría de los fijadores de nitrógeno salvajes no). Oh, y tiene que hacer frente a la producción industrial y los procesos de formulación, también.
Un robot de recogida de colonias que aísla cepas microbianas en la fundición de ADN de Gingko en Boston. Crédito de la imagen: Ginkgo Bioworks
Con una inversión inicial de $ 100 millones y algunos de los más nuevos robots de generación de ADN más rápidos por ahí, la compañía espera plantar semillas recubiertas con nuevos fijadores de nitrógeno en los campos de West Sacramento en los próximos cinco años.
Eso es si todo va según el plan. Pero hay muchas maneras en que puede salir mal. Por un lado, la fijación de nitrógeno es complicada. Al menos 20 genes codifican las proteínas directamente involucradas en convertir el nitrógeno libre en amoníaco, por no decir nada de los procesos metabólicos a lo largo de las líneas laterales. Reconstruir uno de los caminos bioquímicos más fundamentales conocidos por la naturaleza no es una hazaña pequeña.
Incluso si logran hacerlo en un laboratorio, la vida es mucho más confusa en un campo. El espacio alrededor de una semilla en germinación --la llamada espermiosfera-- es una gran caja negra. Los científicos saben casi nada acerca de cómo el suelo interactúa con todos los azúcares y enzimas de una planta viva, y especialmente ninguna bacteria boutique exudando fuera de la semilla.
La relación entre las legumbres y sus microbios llevó miles, si no millones de años a evolucionar en la naturaleza. Realmente no se sabe si las plantas como el trigo y el arroz y el maíz pueden ser impulsadas a desarrollar la misma asociación. "Eso va a ser uno de los desafíos centrales de esto", dice Jason Kelly, cofundador y CEO de Ginkgo. "Pero lo que tenemos para nosotros es que la planta realmente quiere este nitrógeno, e históricamente ese es el escenario correcto para las relaciones simbióticas que surgen. La evolución está de nuestro lado." No históricamente para la mayoría de los cultivos comerciales, pero tal vez esta vez si.
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Por Megan Molteni, para Wired Septiembre 13 de 2017
Durante los últimos 100 años, desde que los químicos alemanes Fritz Haber y Carl Bosch descubrieron cómo extraer fertilizantes de la nada con la fuerza bruta de la química, los agricultores han confiado en un producto imperfecto para hacer crecer sus plantas: los fertilizantes. La producción de la materia quema el 3 por ciento del gas natural del mundo anualmente, libera toneladas de carbono en la atmósfera y corre hacia ríos y arroyos y acuíferos. Confiar en los combustibles fósiles para cultivar alimentos nunca fue exactamente sostenible. Pero a medida que el mundo piensa en lo que se necesita para alimentar a 9 mil millones de personas en un clima que cambia rápidamente, se vuelve inconcebible.
Una solución sería para todos empezar a comer muchas más legumbres.
Cacahuetes, guisantes y muchos tipos de frijoles son favorablemente climáticos porque básicamente hacen su propio fertilizante. Ellos son anfitriones de una clase especial de microbios llamados fijadores de nitrógeno que invaden los pelos radiculares de sus plantas huésped, formando nodos knobby y la conversión de nitrógeno libre en el suelo a amoníaco. Esa es la cosa que las plantas necesitan para hacer comida por sí mismas a través de la fotosíntesis. La mayoría de los cultivos alimentarios más grandes del mundo, como el maíz, el trigo y el arroz, no son tan hospitalarios para los fijadores de nitrógeno. Es por eso que requieren tanto fertilizante artificial para crecer.
O, usted podría diseñar una gran cantidad de microbios que tienen todo el poder de fijación de nitrógeno de los amigos folículos del cacahuete, pero con la capacidad de colonizar las raíces de cualquier planta. Entonces podrías pintar esa bacteria en semillas estables y enviarlas a cualquier parte del mundo. Eso es lo que un nuevo arranque, con la mayor inversión de semillas de cualquier empresa de tecnología agrícola, planea hacer hasta la fecha este año. El jueves, el gigante alemán de bioquímicos Bayer anunció que se uniría a Gingko Bioworks, una tienda de biología sintética con sede en Boston, para crear una nueva empresa para quitar la necesidad del fertilizante.
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Las bacterias y la luz solar
Por supuesto, el amoníaco existía en la Tierra mucho antes de que Haber y Bosch fueran largos. Durante millones de años, las bacterias fijadoras de nitrógeno en el suelo han estado tomando nitrógeno del aire y convirtiéndolo en amoníaco, que a su vez es absorbido por las plantas, que son comidas por los animales, humanos y no humanos. Usted tiene nitrógeno en sus células de estas bacterias, también.
Así que en la búsqueda de nuevas formas de fabricar amoníaco, los científicos han recurrido a la imitación de la naturaleza. "Biología hace esta reacción de una manera bastante simple en comparación con Haber-Bosch", dice Paul King, un fotobiólogo en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable. Por un lado, sucede a temperatura ambiente, ya que cualquier cosa viva sería cocida y aplastada en las condiciones de Haber-Bosch. Las bacterias fijadoras de nitrógeno tienen enzimas que agarra las moléculas de N2 e iones H +, orientándolas de la manera correcta para que formen amoníaco o NH3.
Esta reacción requiere una sacudida de energía. En bacterias, proviene de romperse un pedazo de una molécula llamada ATP. Pero King ha descubierto algo más sencillo: la luz del sol. En un artículo publicado recientemente en Science, su grupo fabricó nanorods sensibles a la luz, similares a lo que podría encontrar en los paneles solares, que se conectan a la enzima para darle un zap. Básicamente, todo lo que tienes que hacer es mezclar este material a base de cadmio, algunas enzimas, y dejarlo en el sol. Voila, el amoníaco, aunque sólo una pequeña cantidad de él.
¿El problema con hacer más amoníaco? "Las enzimas son realmente costo prohibitivo", dice King. Las enzimas son moléculas increíblemente complejas que tienen que ser purificadas de bacterias vivas. "Hace días y días y mucha agua para separarlo, y terminas con menos de un microgramo", dice Kanatzidis. "Ni siquiera podemos contemplar el uso de eso."
En Northwestern, Kanatzidis está buscando una forma de reemplazar la enzima con un material hecho por el hombre llamado chalcogel. En otro artículo publicado recientemente, su equipo tomó los metales comúnmente encontrados en los sitios activos de las enzimas y los agrupó. El racimo es negro, por lo que también absorbe la energía de la luz. Cuando los investigadores dispersan el material en el agua, brillan la luz del sol en él y el gas del nitrógeno de la burbuja a través, consiguen el amoníaco. Y esta vez, no hay enzimas caras.
Se trata de un costo diferente sin embargo. La enzima fijadora de nitrógeno ha evolucionado durante millones de años para captar N2 y H +; en comparación, el chalcogel es sólo una aproximación cruda, y es miles de veces más lento que el proceso natural. El sistema impulsado por luz de King, el que todavía usa una enzima, sintetiza el amoníaco en aproximadamente el 63 por ciento de la velocidad natural de la enzima. Y ambos no son tan fácilmente escalables a los niveles de Haber-Bosch. Sin embargo, otros grupos han experimentado con membranas poliméricas y moléculas basadas en titanio, aunque también tienen problemas de durabilidad y eficiencia.
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Este otoño, los agricultores están cosechando 50.000 hectáreas del algodón plantado con un aerosol microbiano diseñado para mejorar los rendimientos en condiciones de bajo nivel de agua.
Un misterio crucial del clima se esconde justo debajo de sus pies
Un científico busca una tierra vieja, y su investigación revela un resultado prometedor: los humanos pueden retardar el cambio climático simplemente alimentando a la gente.
Good Riddance, productos químicos: Los microbios son nuevos pesticidas calientes de la agricultura
Con la política alimentaria de hoy en día, los fertilizantes químicos y los pesticidas que fantásticamente aumentaron los rendimientos en el siglo XX ya no están tan calientes.
"Sabemos fundamentalmente que los microbios proveerán beneficios a las plantas que los productos químicos no pueden", dice Mike Miille, director de Bayer Crop Science, quien también será el CEO interino de la nueva compañía. "Pero estos microbios fijadores de nitrógeno han sido limitados en lo que pueden hacer por lo que la evolución de las plantas los ha empujado hacia. Estamos tratando de cambiar eso. "
La compañía (que hasta ahora no tiene nombre) operará conjuntamente con la fundición de ADN automatizada de Ginkgo que pronto se completará y el centro de I + D de Bayer Crop Science en West Sacramento. El equipo científico de Bayer ya ha comenzado a cribar su biblioteca microbiana para las criaturas candidatas para enviar a Boston. Con cientos de miles de bacterias para tamizar a través de ellos, esperan reunir un conjunto diverso de fijadores de nitrógeno para los científicos en Ginkgo para comenzar la secuenciación tan pronto como el próximo mes.
Esta fase de prospección podría darles una buena idea de qué genes son más importantes para la fijación de nitrógeno. Sin embargo, si funciona, planean usar ese mapa genético para diseñar y sintetizar ADN personalizado para nuevos microbios que puedan crecer y estudiar en el laboratorio.
En última instancia, este grupo está tratando de diseñar una bacteria que combina las habilidades de fijación de nitrógeno con las fuerzas de la capa de semilla-que tiene que ser capaz de sobrevivir sin agua durante largos períodos de tiempo y luego activar tan pronto como se moja. También tiene que gustar crecer en una placa de Petri (la mayoría de los fijadores de nitrógeno salvajes no). Oh, y tiene que hacer frente a la producción industrial y los procesos de formulación, también.
Un robot de recogida de colonias que aísla cepas microbianas en la fundición de ADN de Gingko en Boston. Crédito de la imagen: Ginkgo Bioworks
Con una inversión inicial de $ 100 millones y algunos de los más nuevos robots de generación de ADN más rápidos por ahí, la compañía espera plantar semillas recubiertas con nuevos fijadores de nitrógeno en los campos de West Sacramento en los próximos cinco años.
Eso es si todo va según el plan. Pero hay muchas maneras en que puede salir mal. Por un lado, la fijación de nitrógeno es complicada. Al menos 20 genes codifican las proteínas directamente involucradas en convertir el nitrógeno libre en amoníaco, por no decir nada de los procesos metabólicos a lo largo de las líneas laterales. Reconstruir uno de los caminos bioquímicos más fundamentales conocidos por la naturaleza no es una hazaña pequeña.
Incluso si logran hacerlo en un laboratorio, la vida es mucho más confusa en un campo. El espacio alrededor de una semilla en germinación --la llamada espermiosfera-- es una gran caja negra. Los científicos saben casi nada acerca de cómo el suelo interactúa con todos los azúcares y enzimas de una planta viva, y especialmente ninguna bacteria boutique exudando fuera de la semilla.
La relación entre las legumbres y sus microbios llevó miles, si no millones de años a evolucionar en la naturaleza. Realmente no se sabe si las plantas como el trigo y el arroz y el maíz pueden ser impulsadas a desarrollar la misma asociación. "Eso va a ser uno de los desafíos centrales de esto", dice Jason Kelly, cofundador y CEO de Ginkgo. "Pero lo que tenemos para nosotros es que la planta realmente quiere este nitrógeno, e históricamente ese es el escenario correcto para las relaciones simbióticas que surgen. La evolución está de nuestro lado." No históricamente para la mayoría de los cultivos comerciales, pero tal vez esta vez si.
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