Исследователи разных стран и организаций работают над созданием сельскохозяйственных культур, которые могли бы обеспечивать себя сами важнейшим питательным веществом азотом. По заявлению австралийских ученых из государственного объединения научных и прикладных исследований CSIRO, они смогут предоставить растения, содержащие функциональную нитрогеназу, в течение пяти лет
Более половины белка в нашем организме можно напрямую проследить до процесса, изобретенного более 100 лет назад двумя немецкими химиками, Фрицем Габером и Карлом Бошем. Процесс Габера-Боша искусственно фиксирует азот, разрывая инертную тройную связь азотного газа в аммиачное удобрение.
Без этого прогресса наше население не смогло бы прокормить себя. Однако совокупное давление продолжающегося роста населения мира и потребность в более качественном белке заставили фермеров все больше полагаться на постоянное применение азотных удобрений. Это имело свою цену.
Помимо прямых затрат на применение азотных удобрений, растет также осведомленность о загрязнении окружающей среды, например, водных путей, вызванном чрезмерным использованием удобрений. Мировое производство удобрений также является причиной 1,4% годовых выбросов CO2, а их использование является основной причиной выбросов парниковых газов, не содержащих CO2.
Таким образом, перед человечеством встала головоломка: как обеспечить растущее население достаточным количеством продовольствия и белка, избежав при этом экономических и экологических издержек, связанных с чрезмерным применением азотных удобрений?
Эту задачу решает доктор Крейг Вуд и его команда в CSIRO, используя передовые методы синтетической биологии и биотехнологии сельскохозяйственных культур для создания новых культур, способных фиксировать собственный азот для роста.
«Некоторые бактерии способны производить собственные удобрения, и этот уникальный и естественный путь дает нам шаблон для создания культур с такими же возможностями», - говорит доктор Вуд.
Его команда, включая докторов Кристину Грегг и Роба Аллена, использует генетические шаблоны, доступные в бактериях, и перерабатывает их для стабильной экспрессии в сельскохозяйственных культурах. Полный шаблон ДНК, обнаруженный в бактериях, производит фермент нитрогеназу, единственный биологический процесс, способный преобразовывать инертный азотный газ (составляющий почти 78% газа в атмосфере Земли) в ценный аммиак.
Бактериальный путь исследовался в течение последних 50 лет, предоставляя массу биохимических и генетических идей. Увлекательным аспектом нитрогеназы является то, что она работает только при отсутствии кислорода и требует большого количества энергии для разрыва инертной тройной связи молекулы азотного газа.
Чтобы обеспечить функционирование нитрогеназы в сельскохозяйственных культурах, исследователи CSIRO выявляют весь бактериальный путь в митохондриях растений - субклеточном компартменте, где концентрация кислорода очень низкая, а биологической энергии предостаточно.
Генетический путь реконструкции нитрогеназы в растениях включает около 10 различных компонентов. Исследователи CSIRO показали, что каждая из этих частей может быть успешно перемещена в митохондрии растений. Следующий этап процесса - сборка функциональных компонентов внутри растения, требующая передовых навыков в молекулярной биологии и биохимии.
«Это захватывающий исследовательский проект, как из-за сложности науки, так и из-за потенциального влияния на повышение устойчивости и сокращение расходов фермеров, - говорит доктор Вуд. - CSIRO соревнуется с аналогичными подходами, применяемыми в Испании, Китае, США и Великобритании. Все эти страны осознают необходимость снижения зависимости от удобрений, и синтетическая биология предлагает уникальный шанс сделать именно это. За последние два года были достигнуты значительные успехи, и, по моему мнению, в течение пяти лет у нас появятся растения, содержащие функциональную нитрогеназу».
Развитие таких технологий откроет возможности для конструирования растений, позволяющих производить высококачественные белки с меньшими затратами удобрений и с большей устойчивостью.
Ранее команда CSIRO разработала генетически модифицированные культуры со сложными метаболическими путями, что привело к производству масел омега-3 в семенах канолы, коммерческой разновидности рапса. Все эти генетически модифицированные подходы подлежат полному спектру нормативных разрешений, чтобы гарантировать безопасность растений для использования в пищевой цепочке и в окружающей среде.
Аналогичное развитие и последующее внедрение культур, обладающих способностью фиксировать азот, сыграют значительную роль в переходе сельского хозяйства к устойчивому будущему.
Источник: CSIRO. Автор: Ану Мэтью.
На фото слева направо: доктора Роб Аллен, Кристина Грегг и Крейг Вуд находятся на передовой всемирной гонки за снижение воздействия азотных удобрений. Источник: CSIRO.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.