能讓全世界窮人都吃上飯，這種超級細菌是何方神聖？

世界上仍有許多人還過著食不果腹的日子。根據聯合國糧農組織(FAO)2015年發布的《世界糧食不安全狀況》報告，全球有將近7.95億人營養不良，相當於9人中就有1人在挨餓。

直到現在，情況仍未好轉。據FAO 3月31日發布的《2017年全球糧食危機》報告，2016年全球面臨嚴重糧食不安全的人口從2015年的8000萬猛增至1.08億。

怎樣走出人類在糧食生產和供應上面臨的嚴重困境？科學家們再次將目光投向了微生物。

近日，哈佛大學傳來令人振奮的消息：該校化學家丹尼爾·諾塞拉(Daniel Nocera)及其領導的團隊，利用基因重組技術設計出一種超級細菌，可捕捉空氣中的氮氣、氫氣和二氧化碳合成出氨，若將這種細菌添加到土壤中，可以為糧食作物提供豐富而又廉價的氮肥，減少作物對氮素化肥的依賴。

該技術的推廣應用可以幫助世界上最貧窮地區的農民增加作物產量，消除長期營養不良的糟糕狀況。

氮是構成DNA、蛋白質等一切生命物質的必需元素，也是肥料的關鍵組分。我們呼吸的空氣中有80%是氮氣。但是，氮是惰性的，氮氣分子中很強的化學鍵使其難以被植物和人體直接吸收。

一個多世紀前，德國化學家弗里茨·哈伯(Fritz Haber)和卡爾·博世(Carl Bosch)發明了一種工業化合成氨工藝。但是，Haber-Bosch工藝條件苛刻，需要高溫和高壓環境，還需要分子氫(H2)源，如甲烷（天然氣的主要成分）。甲烷本身並不昂貴，但將甲烷和氮轉化為氨需要建造大型化工廠，且氮肥的分銷需要大量基礎設施，成為許多貧窮國家在自己國內生產氮肥的最大障礙。

過去，人們發現一些微生物已進化出一種稱為固氮酶的蛋白質，它可以幫助微生物分解空氣中的氮分子，並使氮與氫結合生成氨和其他植物可以吸收的化合物，以獲得生長所必需的氮素。

幾年前，丹尼爾·諾塞拉帶領的研究人員曾設計出一種人造葉片，它將兩種不同的催化劑結合到半導體上來捕獲陽光，並利用吸收的能量使水分子(H2O)分解成H2和氧(O2)。當時，他們專註於使用捕獲的氫作為化學燃料，用於直接燃燒或者通過稱為燃料電池的設備來發電。

2016年，諾塞拉稱他的團隊已對叫做羅爾斯通氏菌(Ralstonia eutropha)的細菌進行了基因重組，可以從空氣中吸收H2和二氧化碳 (CO2)，並讓它們結合製造出碳氫化合物燃料。當時他們計劃下一步對另外一種類型的細菌進行基因重組，以擴大其功能範圍，從而將氮氣從空氣中剝離來製造肥料。

用含有轉基因細菌的土壤培育的蘿蔔（右）比對照組長得更大

他們將目光轉向一種稱為自養黃色桿菌(Xanthobacter autotrophicus)的細菌，這種微生物本身含有一種固氮酶，但還需要一種方法來提供合成氨用的H2源。因此，他們對Xanthobacter進行了基因重組，使細菌細胞內產生一種稱為氫化酶的酶。重組後的細菌能以H2為食，生成細胞能量ATP。隨後，重組細菌利用ATP、空氣中的H2和CO2合成一種稱為聚羥基丁酸酯或PHB的生物塑料，這種物質可以存儲在細菌體內。

生成PHB後，細菌內的固氮酶即開始工作：細菌從PHB儲存器獲取H2，並利用自身固氮酶將其與來自空氣的氮結合從而產生氨——肥料的起始材料。

這一成果不僅在實驗室獲得了成功，研究人員還將轉基因Xanthobacter菌溶於溶液中，並用之澆灌蘿蔔作物，結果顯示長出來的蘿蔔比沒有重組基因或沒有施加其他肥料的對照組個頭大150%以上。當地時間4月3日，諾塞拉在加州聖弗朗西斯科舉行的美國化學學會會議上報道了他們的研究進展。

瑞典烏普薩拉大學的化學家萊夫·哈馬斯特羅姆（Leif Hammarstr?m）作為同行，高度評價了諾塞拉等人的研究成果：「利用非工業生產方法合成氨，在化學上是一項重大挑戰，他們的方法非常好，甚至可以讓世界上許多的窮人受益。」哈馬斯特羅姆主要研究利用太陽能來製造燃料。

據諾塞拉表示，哈佛已將新技術的知識產權許可給印度孟買的化學技術研究所，該公司正在將該技術進行全球化商業推廣。

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