Der Plan, die Welt zu ernähren, durch Photosynthese zu hacken


Mit der Weltbevölkerung voraussichtlich vorbei bis zum Jahr 2100 die 11 Milliarden Mark steigen gehen wir einige kreative neue Wege der Lebensmittel auf den Tisch legen müssen. Die neuesten Wissenschaft betriebene Plan, die Welt zu ernähren? Photosynthese hacken.

Stell dir vor, wir verwenden die gleiche Menge an Raum, Wasser, Dünger und Sonnenlicht 30 bis 60 Prozent mehr Weizen in einem Feld wachsen konnte. Das ist, was Wissenschaftler jetzt in der Hoffnung, zu tun, durch die Neugestaltung des Prozesses Pflanzen nutzen, um Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln. Die Idee der Modernisierung Photosynthese ist nicht neu, aber es wurde an Dynamik gewinnt im Schritt mit unserer Fähigkeit, Leben auf molekularer Ebene zu manipulieren. In dieser Woche legt die wissenschaftlichen Roadmap, die es möglich machen ein Papier in den Proceedings of the National Academies of Sciences veröffentlicht.

Hier ist warum Wissenschaftler der Natur solarbetriebene Zuckerfabrik verbessern wollen – und wie sie es tatsächlich tun könnte.

Unvollkommene Natur

Vor etwa 3,4 Milliarden Jahren eine Pfütze grünen Schleim Gastfahrer einen Prozess, der Terraform einer unwirtlichen Erde in einen Planeten mit Sauerstoff und Ökosysteme würde. Alten Cyanobakterien hatte stolperte auf etwas unglaubliches: mit Photonen des Lichts um Wasser gespalten und Kanalisierung der resultierenden Ausbruch von Energie, CO2 aus der Luft in Zucker zu verwandeln.

Heute, diesen Prozess – Photosynthese-ist die Grundlage für fast immer Nahrungsnetz und Ökosystem unseres Planeten. Es wurde auch verantwortlich für das recycling der Atmosphäre diese letzten paar Äonen durch Zeichnung unten CO2 und Sauerstoff als Abfallprodukt loslassen. Wenn Pflanzen nicht Sonnenlicht in Zucker Morgen Spinnen mehr, würde jedes Tier auf der Erde bald verhungern und ersticken.

In diesem Sinne ist hier ein ausgezeichnetes Video, das zeigt, genau wie Pflanzen Licht Essen:

Es ist sicherlich eine der erstaunlichsten Bits der Biochemie, die jemals entwickelt, aber Photosynthese ist nicht perfekt. Wie alles andere in der Biologie, prägte diesen Prozess durch natürliche Selektion – einen langsamen und gewundenen Weg von Versuch und Irrtum, Addition und Subtraktion. Brandneue Gliedmaßen tauchten in den Fossilien, über Nacht, und aus dem gleichen Grund sehen wir nicht, Biochemie wie diese nicht selbst leicht umschreiben. In gewisser Weise haben Pflanzen stecken, mit was ihre schleimigen Vorfahren entwickelte sich Milliarden von Jahren, wenn die Welt ein ganz anderer Ort war.

"Evolution ist inkrementell. Es nur bauen kann was es von Itty bitty Schritte hat,"sagte Pflanzenbiologe Donald Ort und Erstautor des Fachartikels PNAS mir über das Telefon. "Und was für Pflanzen adaptive war nicht unbedingt wollen wir für Nahrungsmittel-und Bioenergie."

Diese Tatsache hat Wissenschaftler in den vergangenen zehn Jahren Pflanzen immer deutlicher. In den 1940er Jahren begann Agronomen Steigerung der Ernteerträge enorm, mit einer Kombination von Düngemitteln, Pestiziden, selektive Zucht und neue Techniken. Zum besseren oder Schlechteren verändert die grüne Revolution unseres Planeten wächst die Weltbevölkerung durch eine schätzungsweise 4 Milliarden. Aber die Tricks, die Landwirte, mehr Kalorien squeeze-out das Land seit Jahrzehnten die Möglichkeit ihren Kurs ausgeführt werden. In vielen der wichtigsten Anbaugebiete der Welt, Produktivität ist nun auf der Rückgang aufgrund der Dürre, Klimawandel, Bodenerosion und armes Land-Management.

Aber genauso wie unsere herkömmlichen Ertrag steigernde Tools treffen ihre Grenzen sind, unsere Fähigkeit, Genen und Proteinen zu manipulieren ist sprunghaft angestiegen. Wir können jetzt null auf spezifische Ineffizienzen in der photosynthetischen Weg, tauschen Sie die alten Teile gegen neue, und Ingenieur Designer Pflanzen, die wachsen schneller, größer und effizienter. Wir können uns besser solar Maschinen zu bauen.

Tippen Sie auf die Sonne

Der erste Aspekt der Photosynthese Ort und seine Kollegen Schwerpunkt ist solar Effizienz. Pflanzen sind nicht wirklich sehr gut mit Licht. Die meisten nur wiederum ein paar Prozent der Photonen absorbieren sie in Biomasse, während Photovoltaik-Zellen etwa 10 Prozent des ankommenden Sonnenlichtes in Kraftstoff umwandeln kann. Theoretische Studien deuten darauf hin, dass wir den Wirkungsgrad von Sonne in Zucker um 12 Prozent oder höher steigern können, Sie. Also, wie gehen wir damit?

Einfügen von verschiedenen Versionen des Chlorophylls in Pflanzen könnte erhöhen die Menge des Lichtes, die sie verwenden, und ändern ihre Farbe! Image via Shutterstock.

Etwas counterintuitively könnte eine Option sein, verringern Sie die Anzahl der Licht-absorbierenden Chlorophyll-Moleküle in einer gegebenen Photosystem. (Chlorophyll ist die Pigment-Pflanzen setzen auf Sonnenenergie absorbieren, und eine Reihe von Chlorophyll-Moleküle zusammen macht ein Photosystem, irgendwie mag ich eine Solaranlage). Da Pflanzen bereits mehr Sonnenlicht absorbieren als sie verbrauchen können, wird nicht weniger Solarmodule mit Photosynthese verlangsamen. Aber es würde freie Ressourcen, die für das Wachstum verwendet werden können.

"Pflanzen haben eine Vielzahl von Mechanismen für die Abzweigung sicher überschüssige absorbierte Energie, vor allem als Wärmeableitung, aber sie stellen eine erheblichen Verlust Ineffizienz" Ort und seine Kollegen schreiben. "Wenn Pflanzen weniger Licht-ernten Pigmente pro Photosystem und weniger Photosysteme in ihren obersten Blättern hatte, Licht könnte mehr vernünftig aufgenommen werden und ein größerer Anteil der absorbierten Photonen in Biomasse umgewandelt."

Ingenieure versuchen, mehr Licht effizient Algen für die Biokraftstofferzeugung zu entwerfen haben einige Erfolge mit dieser Strategie gesehen, aber es hat nicht noch in höheren Pflanzen getestet. Aber Ort ist optimistisch, dass wir ihm einen Versuch geben kann.

"Es gibt eine biosynthetische Bahn für Chlorophyll, die etwa acht verschiedene Enzyme," erzählte Ort. "Auswirkungen auf eines dieser Enzyme beeinflussen Chlorophyll. "Das ist eine ziemlich einfache technisches Problem zu gehen und machen ein Enzym langsamer arbeiten."

(Nebenbei bemerkt, Wissenschaftler nicht ganz sicher warum Pflanzen entwickelt, um zu produzieren mehr Chlorophyll als sie verbrauchen können, sondern Ort vermutet, die es mit Wettbewerb zu tun hat. Ihr Nachbar des Sonnenlichts, rauben, auch wenn Sie keine Verwendung für sie, kann Ihnen helfen, Ihr Revier abstecken. Ein perfektes Beispiel für was ein adaptives Merkmal für wilde Pflanzen, aber nicht so toll für die Nahrungsmittelproduktion sein kann).

Absorptionsspektren für zwei der am häufigsten verwendeten Chlorophyllmoleküle in Pflanzen. Bild via Wikimedia

Eine weitere beliebte Idee ist es, verschiedene Typen von Chlorophyll in Pflanzen zu hacken. Der Chlorophyll-basierte Photosysteme, die Farbe Pflanzen grün meist in rot (620-700 nm) und blau (450-490 nm) Teile des sichtbaren Spektrums absorbieren, während große Schwaden des potenziell nützliche Licht zu ignorieren. Aber bestimmte photosynthetischen Bakterien tragen Versionen von Chlorophyll mit leicht unterschiedlichen Empfindlichkeiten. Würden wir Zeitschrift - expressb-die ist optimiert, mit Nahinfrarot-Licht bis 1.075 nm — im Tandem mit der rot-blau-liebenden Chlorophylle, könnten wir die Anlageneffizienz leichten Einsatz drastisch erhöhen.

"Wobei ein Photosystem von höheren Pflanzen, die im sichtbaren betreibt und Koppelung mit einem von Bakterien, die im Infrarotbereich arbeitet ist eine spekulative Idee", sagte Ort. "Aber das ist wie Ingenieure 2-stufige Solarzellen entwickelt haben."

Oder vielleicht, wir könnten neue, Designer Chlorophylle, die jeden Teil des Sonnenspektrums erschließen, die wir gerne bauen. Chemiker tun, die bereits im Labor, also seien Sie nicht allzu überrascht sein, wenn Sie blau oder orange Salat im Supermarkt bald auftauchen sehen.

CO2-Abscheidung

Solare Effizienz ist ein wichtiger Aspekt der Photosynthese, die steht optimiert werden. Aber fangen Sonnenlicht ist eigentlich nur der erste Schritt. Das Endspiel für Pflanzen ist es, die Sonnenenergie in chemische Energie, bekannt als Zucker umwandeln. Aber um Zucker zu bauen, brauchen Pflanzen Kohlenstoffquelle. Glücklicherweise gibt es viele dieser Umlauf in der Luft als Kohlendioxid.

Pflanzen wachsen aus der Luft! Bild via pexels.com

Die Pflanzen wachsen buchstäblich aus der Luft. Dazu setzen sie ein wenig Aufspüren von CO2-Enzym namens Ribulose, 1-5-Bisphosphate Carboxylase. Um Atem zu retten, ruft alle es Rubisco.

"Rubisco ist am häufigsten vorkommende Enzym auf der Erde, aber es ist wirklich keine sehr gute Enzym aus der Sicht der Effizienz," Ort erzählte mir. "Wenn es sich entwickelt, gab es keinen Sauerstoff in der Atmosphäre."

Sobald Pflanzen die Luft mit Sauerstoff füllte, jedoch entdeckte Rubisco, war es eigentlich sehr gut, den Unterschied zwischen O2 und CO2.

"Über jeden vierten bis fünften katalytischen Ereignis behebt einen Sauerstoff anstelle von CO2," sagte Ort. "Und das ist unglaublich energetisch verschwenderisch."

Wenn Rubisco vermasselt und schnappt sich Sauerstoff, löst es eine Reaktion Bahn genannt Photorespiration, die Enden brennen Energie und giftige Abfallprodukte zu schaffen. Um dieses Problem zu umgehen, sogenannten C4-Pflanzen entwickelten Möglichkeiten der Konzentration von CO2 in den Teilen der Zelle Rubisco betreibt, macht es schwieriger für das Enzym, versehentlich eine O2 greifen. Algen und photosynthetischen Bakterien haben andere CO2-Konzentration Mechanismen entwickelt.

"Ein Weg zur Verbesserung der Effizienz der Rubisco CO2 um ihn herum zu konzentrieren", sagte Ort. "Bakterien dazu, die C4-Pflanzen, es tun. Aber die meisten [Pflanzen] nicht. Eine Sache, die wir wundern ist: können wir CO2-konzentrierende Mechanismen in Bakterien und in Pflanzen umzusetzen? "

Eine koordinierte internationale Anstrengungen ist bereits im Gange, C4-Photosynthese in Reis zu installieren, und Wissenschaftler haben bedeutende Fortschritte der relevante Gene zu identifizieren. Das Team hinter diesem Projekt behauptet, dass C4-Reis bis zu 50 % mehr Getreide mit weniger Wasser und Nährstoffe produzieren könnte. Viele Experten sind sich einig, geben unsere Gemüse eine C4-Upgrade ist eine vielversprechende Richtung: "Obwohl erhebliche Hürden Erfolg öffnet die Tür zu dramatisch zu verbessern, die Effizienz und Rendite für einen Großteil der Welt's wichtigsten Nutzpflanzen," Ort und seine Kollegen schreiben.

Spekulativer ausgedrückt, haben einige vorgeschlagene schaukelnden Rubisco heraus und ersetzt sie durch eine neue Carbon Befestigung Weg, völlig unempfindlich gegenüber Sauerstoff ist. Das würde zu einem weitaus größere biochemische Umverdrahtung Job, also Jahre zusätzliche Forschungsgelder und Zeit betragen. Aber am Ende könnten wir bauen uns eine Maispflanze, die Kohlenstoff viele Male schneller als seine Vorfahren tanken kann – und das könnte eine gute Sache für die Zukunft von Lebensmitteln und das Klima der Erde.

Intelligenter Vordächer

Während die englischsprachige damit beschäftigt sind, sich vorzustellen, wie wir Enzyme und phototrophen neu verkabeln, fordern andere, wie dies alles in der realen Welt zu spielen. Denken Sie daran, dass der stärkste natürliche Selektion beruht. In der Pflanzenwelt ist ein Mensch "passen", die seine Nachbarn für Licht, Boden und Wasser verdrängen können. Aber diese Arten von Ressourcen-Fresser sind für Landwirte interessiert Steigerung der Erträge, eine Haftung. Wir hätten lieber Pflanzen, die kooperieren und Immobilien zu teilen.

Weil jede neue Idee mit einer "intelligenten" wendete auf sexy klingt, geben Sie die smart Baldachin: "das Konzept der intelligenten Überdachung sieht eine Ansammlung von Pflanzen, die kooperativ (anstatt kompetitiv) Ebene der Baldachin zur Maximierung des Potentials für die Lichtsammlung und Produktion von Biomasse pro Flächeneinheit Land, interagieren" Ort und Kollegen schreiben.

Veränderungen der Umwelt in den Baumkronen beeinflussen Photosynthese. Relative Luftfeuchtigkeit (RH) neigt dazu, von oben nach unten zu erhöhen, verringert sich das Verhältnis von rot bis fernen Infrarot (R/FR) Licht und CO2 ist variabel. Image via PNAS.

Wie könnte eine Kulturpflanze werden konstruiert, um die Produktivität des Landes, anstatt die einzelnen zu optimieren? Zum einen können Züchter für bestimmte körperliche Merkmale auswählen, die die Menge von Lichteinfall und Luftzirkulation in den Baumkronen zu maximieren. Pflanzen, die mehr senkrecht ausgerichteten Blätter an der Spitze der Kappe, produzieren ermöglicht zum Beispiel mehr Sonnenlicht durchscheinen nach unten, die insgesamt leichte Verfügbarkeit des Systems zu verbessern. Züchter könnten auch für Pflanzen auswählen, die Blumen und andere nicht-photosynthetischen Strukturen in schlechten Lichtverhältnissen Bereichen zu verschwenden die sonnigsten Immobilien zu produzieren.

Darüber hinaus müssen bei der Skalierung von Molekülen auf Felder, Biologen, wo Pflanzen sollten ihre Neumaschinen Photosynthese verwenden, zu prüfen. Zum Beispiel tendenziell gibt es mehr rotes Licht an der Spitze der Haube an, verglichen mit mehr Infrarot unten verfügbar sein. Wenn wir darüber nachdenken, Pflanzen verschiedene lichtempfindliche Chlorophylle einfügen, sollten wir auch prüfen, wie diese Systeme in den Bereichen zum Ausdruck zu bringen, wo sie tatsächlich nützlich sein werden.

Der intelligenten Überdachung Ansatz — sich vorzustellen, wie unser Engineering und Zucht Systeme, auf der Skala, und schließlich spielen werden wie sie höhere Erträge übersetzen werde – wird mehr und mehr an Bedeutung als Wissenschaftler Test fahren einige dieser Ideen außerhalb des Labors zu starten. Wir können steigern die effizient Rubisco und Melodie Chlorophyll leichte Empfindlichkeiten alle, die wir wollen, aber wenn die resultierende Super-Ernte gut mit seinen Nachbarn spielen, alle unserer Wissenschaft möglicherweise umsonst.

Hacking-Pflanze: Keine Wunderwaffe


Die meisten der Photosynthese-Upgrades vorgeschlagen wäre nicht denkbar ohne die enorme Molekularbiologie Fortschritte des letzten Jahrzehnts. Noch, Leben auf die Art und Weise zu manipulieren ich hier beläuft sich auf weit mehr als nur Ausschneiden und Einfügen von Genen aus einem Organismus in einen anderen beschrieben habe. Dabei werden immer jene Gene an der richtigen Stelle und unter den richtigen Bedingungen, ohne Schrauben alles andere bis in den Prozess. Dann haben die Wissenschaftler bestimmen, wie diese molekulare Optimierungen zu ganzen Pflanzen und Felder skalieren. All dies ist viel leichter gesagt als getan.

Bild via Wikimedia

Auch wenn wir Erträge immens steigern durch Photosynthese aktualisieren können, wird dies kein Wundermittel sein, die globale Nahrungsmittelkrise, Gegenwart oder Zukunft endet. Es ist wichtig zu bedenken, dass der Hungerproblem unserer Welt heute vor allem ein Problem der Verteilung ist, nicht zu liefern. Da die Weltbevölkerung wächst, kann das ändern. Aber alle Versuche, unsere Kulturpflanzen verbessern willst müssen einhergehen mit Richtlinien, um sicherzustellen, dass diese zusätzlichen Kalorien an die Personen verteilt werden, die sie benötigen.

Und wenn wir nicht Bevölkerungswachstum unter Kontrolle bekommen, werden nicht alle unsere Bemühungen, mehr Kalorien aus dem Land zu drängen die Welt ernähren.

Auch haben wir den Klimawandel konfrontiert. Wie die Erde erwärmt und regionalen klimatischen Muster zu verlagern, sind viele von unseren Planeten fruchtbares Ackerland, trocknen, während historisch ausgedörrte Regionen feuchter werden. Wir können das Heck aus Photosynthese upgrade, aber wenn wir nicht das Wasser unserer Kulturpflanzen wachsen haben, es macht keinen Tropfen Unterschied. Vorhersage und Anpassung an wechselnde Wasserressourcen ist entscheidend für unser Überleben als Gattung.

Schließlich werden die einzige langfristige Überleben-Lösung für die Menschheit, jenseits der Erde zu bewegen. Pflanzen werden ein wesentlicher Bestandteil unserer kosmischen Migration zu sein, und in aller Wahrscheinlichkeit nach haben wir sie noch weiter für off-Welt Leben zu konstruieren. Photosynthese Upgrade möglicherweise eine kurzfristige Schritt fort, Menschen auf dem Planeten Erde zu ernähren, aber die Werkzeuge, die wir auf dem Weg zu erfinden werden uns helfen, wie wir über diese blassblauen Punkt Wagen.

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Bild oben: Brad Hickman / Flickr

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