科學家將開發出定製細菌，幫助人類結束人造化肥時代

在過去的 100 年裡，自從德國化學家 Fritz Haber 和 Carl Bosch 發現從空氣中強行提取氮肥的方法後，農民就一直在依賴這種並不完美的產品幫助作物生長。

這種製造化肥的方法擁有眾多缺點：生產過程每年消耗全球天然氣 3% 的使用量，向大氣中排放大量的溫室氣體，還造成水資源污染。這種依賴化石燃料生產化肥來生產食物的方法並不是可持續發展的。但是，要在全球變暖不斷惡化的情況下解決 90 億人的溫飽問題，這也實屬無奈之舉。

一種解決方法是在人類的飲食結構中加入大量的豆科植物。花生、豌豆等的豆科植物能夠為自身製造化肥，所以不會對氣候造成破壞。

豆科植物可以作為一種叫做氮素固定者的細菌的寄主。這些細菌會侵入植物的根毛並形成結點狀結構，來將土壤中豐富的氮元素轉化為氨。植物會利用這些氨進行光合作用生產養料。然而，目前世界上的主要農作物（如玉米、大麥、水稻等）都不能作為氮素固定者的合適寄主。這就是為什麼這些作物需要大量的人造化肥的原因。

圖丨表面塗有特殊細菌的玉米種子能夠防止植物根部被蟲蛀。

解決這一問題還有另一種方法，那就是研製出一種不僅擁有強大的氮素固定能力，還能夠在任何植物的根部生長的細菌。這樣一來，我們就能夠將這種細菌塗抹在擁有無限保質期的種子上並發售到世界上任何地方。

這就是一家農業科技創新企業的計劃。這家企業宣稱將對農作物種子的相關技術開展在截至目前同類企業中最大的投資。上周四，德國生化產業巨頭拜爾（Bayer）宣布將與來自波士頓的生物科技初創公司 Ginkgo Bioworks 合作，共同創立一家新公司以試圖結束人工化肥的時代。

新公司的臨時 CEO、拜爾作物科技集團（Bayer Crop Science）生物部總管 Mike Miile 表示：「我們知道這些氮素固定者細菌能夠為植物帶來人工化肥所無法滿足的好處。但是，由於這種細菌進化的結果，它們只能夠結合到特定植物的根部。我們正在研究如何解決這個問題。」

新公司（目前還並沒有名字）將會在 Ginkgo 即將竣工的全自動 DNA 車間以及拜爾作物科技集團（Bayer Crop Science）在西薩克拉門托的研發中心進行合作研究。拜爾公司的科研團隊已經開始了對其擁有的細菌庫進行檢索來篩選出適合這種任務的細菌來寄給波士頓的實驗室。在成百上千的細菌中，科研人員希望能夠選擇出多樣化的眾多氮素固定者使 Ginkgo 的研究人員能夠最早在下個月前開始研究。

這種篩查工作能夠讓研究人員找出哪個基因是氮素固定的主要影響因素。然而，由於研究人員沒有土壤中細菌的染色體圖譜作為參考，這樣的過程將會十分困難。不過，一旦這種篩查成功，研究人員將會利用這些基因來設計併合成 DNA 來生產新的細菌供研究人員進一步探索。

最終，研究人員將研發出一種能夠結合氮素固定能力與種子表面吸附能力的細菌。這種細菌需要符合眾多標準：能夠離開水存活很久，並在種子重新接觸水時再次活躍；能夠在培養皿中生長（大部分自然中的氮素固定細菌都沒有這種特點）；還需要能夠被批量化生產。

圖丨在 Ginkgo 位於波士頓的 DNA 工坊中，機器人正在根據基因篩選特殊的細菌。（來源：Ginkgo Bioworks）

利用初始的 1 億美元資金，以及目前最先進的 DNA 合成機器人，這個公司希望在接下來的 5 年之內在西薩克拉門托的農田中播種帶有氮素固定者細菌塗層的。

但是，要實現這樣的計劃是困難重重。其中的一點原因是氮素固定是一個十分複雜的過程。在將氮素轉化為氨的過程中，至少有 20 個基因與這個過程利用的蛋白質直接相關，而與其中新陳代謝過程間接相關的蛋白質還需要牽扯到更多的基因。總之，要重建這種自然中最基本的生化過程是一項巨大的挑戰。

即使研究人員成功重建了這種過程，要在現實世界中實現這種細菌的應用是十分困難的。研究人員對於發芽的種子周圍的環境（叫做spermosphere）的知識十分有限：我們並不知道生長中的植物所產生的糖分、酶以及細菌對周圍土壤的影響。

總而言之，豆科植物與寄生的氮素固定者細菌之間的關係是數百萬年來進化的結果。我們對其他植物如水稻、小麥以及玉米等是否也能夠產生這種關係一無所知。Ginkgo 公司的合夥創始人以及首席執行官 Jason Kelly 表示：「我們在這方面知識不足將成為我們需要克服的主要挑戰之一。但是，植物對氮素的需求正是這種寄生關係產生的重要推動原因之一。生物進化的趨勢必然有利於實現我們的目標。」我們很有可能在不久的將來見到這項技術為我們所帶來的效益。

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