工程微生物如何帮助喂养世界各地的农作物

人类使用粪便等生物肥料已有数千年的历史，公司长期以来一直在开发微生物肥料，包括一些依赖基因工程的肥料。但要设计出能够可靠地为农作物提供氮并同时自我繁衍的微生物是很困难的。一家名为 Switch Bioworks 的初创公司正在采取一种新方法，本质上是让微生物在进入产氮模式之前自我建立并生长成健康的菌落。 “我们必须重新发明肥料，”该公司创始人兼首席执行官蒂姆·施纳贝尔 (Tim Schnabel) 说。空气中近 80% 是氮气，但植物无法直接使用“游离”氮气，因为它不易与其他元素发生反应。相反，它们依赖所谓的固定氮，固定氮已转化为更具活性的化合物，例如氨。在自然界中，微生物可以进行这种固氮作用。有些植物，如豆类，甚至与固氮细菌有共生关系，将它们安置在根部的根瘤中。合成肥料本质上是通过哈伯-博世工艺进行工业固氮，该工艺使用天然气来制造应用于田间的氨。生物肥料旨在用有助于植物固氮的微生物代替部分合成肥料。但微生物肥料公司遇到的一个挑战是，微生物制造和释放氨的能源成本很高。将所有能量投入固氮会阻碍它们的生长。施纳贝尔解释说，你希望在根部周围看到一定程度的殖民化。将所有这些微生物放在植物上成本太高，而且在后勤上也具有挑战性，因此必须依靠较少数量的微生物来生长和分裂，从而建立种群。蒂姆·施纳贝尔 (Tim Schnabel) 走在 Switch 正在进行早期试验的玉米地里。由 SWITCH BIOWORKS 提供 Switch Bioworks 认为基因开关就是答案。基因开关是 DNA 的一个或多个部分，控制基因如何打开和关闭。在这种情况下，它的工作原理是激活基因，帮助触发细胞内氨的产生和释放。该公司正在研究多种方案来引发微生物的这种变化。第一个是让微生物对土壤中的氮水平做出反应：一旦氮水平下降到一定水平，它们就会开始产生氨。突破研究所食品和农业主任丹·布劳斯坦-雷托 (Dan Blaustein-Rejto) 表示：“这是一种固有的生物现实，微生物固氮的成本非常昂贵。”他说，这需要大量能量，如果他们确实固定了氮，他们想将其用于自己，以构建蛋白质并生存。添加基因开关可以帮助微生物生长和繁衍，然后帮助农作物施肥。施纳贝尔表示，Switch 目前正在美国六个州试用其产品，但距离商业化产品还需要两到三年的时间。该公司最初专注于玉米，这是美国种植面积最大的作物，到 2026 年种植面积将超过 9000 万英亩。