Ketika permintaan pangan meningkat karena pertumbuhan dan perubahan populasi di seluruh dunia, peningkatan produksi tanaman telah menjadi target vital bagi para peneliti pertanian dan sistem pangan yang bekerja untuk memastikan ada cukup makanan untuk memenuhi kebutuhan global di tahun-tahun mendatang. Satu kelompok riset MIT yang bergerak di sekitar tantangan ini adalah lab Voigt di Departemen Teknik Biologis, yang dipimpin oleh Christopher Voigt, Daniel IC Wang, Profesor Bioteknologi Lanjut di MIT.

Selama empat tahun terakhir, Lab Sistem Makanan dan Air Abdul Latif Jameel (J-WAFS) telah mendanai Voigt dengan dua Hibah Benih J-WAFS. Dengan dukungan ini, Voigt dan timnya bekerja pada tantangan penelitian yang signifikan dan telah berlangsung lama: mengubah tanaman sereal sehingga mereka dapat memperbaiki nitrogen mereka sendiri.

Pupuk kimia: bagaimana ini membantu dan menyakitkan

Nitrogen adalah nutrisi utama yang memungkinkan tanaman untuk tumbuh. Tanaman seperti kacang-kacangan mampu menyediakan sendiri melalui hubungan simbiosis dengan bakteri yang mampu memperbaiki nitrogen dari udara dan memasukkannya ke tanah, yang kemudian ditarik oleh tanaman melalui akar mereka. Jenis tanaman lain - termasuk tanaman pangan utama seperti jagung, gandum, dan beras - biasanya bergantung pada pupuk tambahan untuk nitrogen, termasuk pupuk kandang, kompos, dan pupuk kimia. Tanpa ini, tanaman yang tumbuh lebih kecil dan menghasilkan lebih sedikit biji-bijian. 

Lebih dari 3.5 miliar orang saat ini bergantung pada pupuk kimia untuk makanan mereka. Delapan puluh persen pupuk nitrogen kimia saat ini dibuat menggunakan proses Haber-Borsch, yang melibatkan transformasi gas nitril menjadi amonia. Sementara pupuk nitrogen telah meningkatkan produksi pertanian pada abad terakhir, ini menimbulkan beberapa biaya yang signifikan. Pertama, proses Haber-Borsch sendiri sangat hemat energi dan bahan bakar fosil, membuatnya tidak berkelanjutan dalam menghadapi iklim yang berubah dengan cepat. Kedua, menggunakan terlalu banyak pupuk kimia menyebabkan polusi nitrogen. Limpasan pupuk mencemari sungai dan lautan, menghasilkan ganggang mekar yang mencekik kehidupan laut. Membersihkan polusi ini dan membayar biaya kesehatan masyarakat dan kerusakan lingkungan Amerika Serikat $ 157 miliar per tahun. Ketiga, dalam hal pupuk kimia, ada masalah dengan pemerataan dan akses. Pupuk ini dibuat di belahan bumi utara oleh negara-negara industri besar, di mana postash, bahan utama, berlimpah. Namun, biaya transportasi tinggi, terutama ke negara-negara di belahan bumi selatan. Jadi, bagi petani di daerah yang lebih miskin, penghalang ini menghasilkan hasil panen yang lebih rendah.

Tantangan lingkungan dan sosial ini menimbulkan masalah besar, namun petani masih perlu menerapkan nitrogen untuk mempertahankan produktivitas pertanian yang diperlukan untuk memenuhi kebutuhan pangan dunia, terutama karena populasi dan perubahan iklim menekankan pada persediaan pangan dunia. Jadi, pupuk adalah dan akan terus menjadi alat penting. 

Tapi, mungkinkah ada cara lain?

Kompatibilitas bakteri kloroplas dan mitokondria

Ini adalah pertanyaan yang mendorong para peneliti di lab Voigt, saat mereka bekerja untuk mengembangkan butir sereal pengikat nitrogen. Strategi yang mereka kembangkan adalah untuk menargetkan gen spesifik dalam bakteri pengikat nitrogen yang beroperasi secara simbiotik dengan kacang-kacangan, yang disebut bagus gen. Gen-gen ini menyebabkan ekspresi struktur protein (gugus nitrogenase) yang mengikat nitrogen dari udara. Jika gen-gen ini berhasil dipindahkan dan diekspresikan dalam tanaman sereal, pupuk kimia tidak lagi diperlukan untuk menambahkan nitrogen yang dibutuhkan, karena tanaman ini akan dapat memperoleh nitrogen sendiri.

Pekerjaan rekayasa genetika ini telah lama dianggap sebagai tantangan teknis utama. Itu bagus jalurnya sangat besar dan melibatkan banyak gen yang berbeda. Mentransfer kelompok gen besar itu sendiri merupakan tugas yang sulit, tetapi ada kompleksitas tambahan di jalur khusus ini. Itu bagus gen dalam mikroba dikendalikan oleh sistem presisi bagian genetik yang saling berhubungan. Agar berhasil mentransfer kapabilitas pengikat nitrogen jalur, para peneliti tidak hanya harus mentransfer gen itu sendiri, tetapi juga mereplikasi komponen seluler yang bertanggung jawab untuk mengendalikan jalur.

Ini mengarah ke tantangan lain. Mikroba yang bertanggung jawab untuk fiksasi nitrogen pada kacang-kacangan adalah bakteri (prokariota), dan, seperti yang dijelaskan oleh Eszter Majer, seorang postdoc di lab Voigt yang telah mengerjakan proyek selama dua tahun terakhir, “ekspresi gen sangat berbeda pada tanaman , yang merupakan eukariota. " Misalnya, prokariota mengatur gen mereka menjadi operon, sistem organisasi genetika yang tidak ada pada eukariota seperti tembakau yang digunakan Voigt dalam eksperimennya. Rekayasa ulang bagus jalur dalam eukaryote sama dengan perbaikan sistem yang lengkap.

Laboratorium Voigt telah menemukan solusi: Daripada menargetkan seluruh sel tanaman, mereka menargetkan organel di dalam sel - khususnya, kloroplas dan mitokondria. Mitokondria dan kloroplas keduanya memiliki asal bakteri purba dan pernah hidup secara independen di luar sel eukariotik sebagai prokariota. Jutaan tahun yang lalu, mereka dimasukkan ke dalam sistem eukariotik sebagai organel. Mereka unik karena mereka memiliki data genetik mereka sendiri dan juga mempertahankan banyak kesamaan dengan prokariota modern. Sebagai hasilnya, mereka adalah kandidat yang sangat baik untuk transfer nitrogenase. Majer menjelaskan, "Jauh lebih mudah untuk mentransfer dari prokariota ke sistem seperti prokariota daripada merekayasa ulang seluruh jalur dan mencoba mentransfer ke eukariota."

Di luar struktur gen, organel-organel ini memiliki atribut tambahan yang menjadikannya lingkungan yang cocok untuk gugus nitrogenase berfungsi. Nitrogenase membutuhkan banyak energi untuk berfungsi dan baik kloroplas maupun mitokondria telah menghasilkan energi dalam jumlah tinggi - dalam bentuk ATP - untuk sel. Nitrogenase juga sangat sensitif terhadap oksigen dan tidak akan berfungsi jika ada terlalu banyak di lingkungannya. Namun, kloroplas pada malam hari dan mitokondria pada tanaman memiliki kadar oksigen rendah, menjadikannya lokasi yang ideal bagi protein nitrogenase untuk beroperasi.

Tim ahli internasional

Sementara tim menemukan menemukan pendekatan untuk mengubah sel eukariotik, proyek mereka masih melibatkan tantangan rekayasa biologi yang sangat teknis. Berkat hibah J-WAFS, lab Voigt telah dapat berkolaborasi dengan dua spesialis di universitas luar negeri untuk mendapatkan keahlian kritis.

Salah satunya adalah Luis Rubio, seorang profesor yang berfokus pada biokimia fiksasi nitrogen di Universitas Politeknik Madrid, Spanyol. Rubio adalah seorang ahli dalam nitrogenase dan kimia yang diilhami nitrogen. Mengubah DNA mitokondria adalah proses yang menantang, sehingga tim merancang sistem pengiriman gen nitrogenase menggunakan ragi. Ragi adalah organisme eukariotik yang mudah direkayasa dan dapat digunakan untuk menargetkan mitokondria. Tim memasukkan gen nitrogenase ke dalam inti ragi, yang kemudian ditargetkan untuk mitokondria menggunakan fusi peptida. Penelitian ini menghasilkan organisme eukariotik pertama yang menunjukkan pembentukan protein struktural nitrogenase.

Laboratorium Voigt juga berkolaborasi dengan Ralph Bock, seorang ahli kloroplas dari Institut Max Planck untuk Fisiologi Tumbuhan Molekuler di Jerman. Dia dan tim Voigt telah membuat langkah besar menuju tujuan tanaman sereal pengikat nitrogen; rincian pencapaian mereka baru-baru ini untuk memajukan rekayasa tanaman lapangan dan melanjutkan pekerjaan memperbaiki nitrogen akan dipublikasikan dalam beberapa bulan mendatang.

Melanjutkan mengejar mimpi

Laboratorium Voigt, dengan dukungan J-WAFS dan kolaborasi internasional tak ternilai yang telah dihasilkan, mampu memperoleh hasil terobosan, membuat kami semakin dekat dengan kemandirian pupuk melalui sereal pengikat nitrogen. Mereka membuat kemajuan dalam menargetkan nitrogenase ke mitokondria dan mampu mengekspresikan tetramer NifDK lengkap - protein utama dalam gugus nitrogenase - di mitokondria ragi. Terlepas dari tonggak sejarah ini, masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan.

“Laboratorium Voigt diinvestasikan dalam memajukan penelitian ini untuk semakin mendekati impian menciptakan tanaman sereal yang memperbaiki nitrogen,” kata Chris Voigt. Dengan tonggak sejarah ini, para peneliti ini telah membuat kemajuan besar, dan akan terus mendorong realisasi visi transformatif ini, yang dapat merevolusi produksi sereal secara global.