世界中の人口の増加と変化により食料需要が高まる中、作物生産の増加は、今後数年間で世界的なニーズを満たすのに十分な食料があることを確認するために取り組んでいる農業および食料システム研究者にとって重要な目標となっています。 この課題に取り組むMITの研究グループのXNUMXつは、MITのDaniel Bio IC Wang教授であるChristopher Voigtが率いる生物工学部のVoigtラボです。

過去XNUMX年間、アブドゥルラティフジャミールウォーターアンドフードシステムラボ（J-WAFS）は、VoigtにXNUMXつのJ-WAFS Seed Grantsを提供しています。 この支援により、フォイト氏と彼のチームは、重要で長年にわたる研究課題に取り組んでいます。穀物を変換して、自分たちの窒素を固定できるようにします。

化学肥料：それがどのように役立ち、害を及ぼすか

窒素は植物の成長を可能にする主要な栄養素です。 マメ科植物のような植物は、空気から窒素を固定し、それを土壌に入れることができる細菌との共生関係を通じて、それ自身の植物を提供することができます。 トウモロコシ、小麦、米などの主要な食用作物を含む他の種類の作物は、通常、肥料、堆肥、化学肥料など、窒素用の追加肥料に依存しています。 これらがなければ、成長する植物はより小さくなり、より少ない穀物を生産します。 

今日、3.5億人以上の人々が化学肥料に依存しています。 今日の化学窒素肥料の157％は、ニトリルガスをアンモニアに変換することを含むハーバーボルシュプロセスを使用して製造されています。 窒素肥料は前世紀に農業生産を押し上げてきましたが、これにはかなりのコストが伴います。 まず、ハーバーボルシュプロセス自体は非常にエネルギーと化石燃料を消費するため、急速に変化する気候に直面しても持続可能ではありません。 第二に、化学肥料を使いすぎると窒素汚染を引き起こします。 肥料の流出は川や海を汚染し、海洋生物を窒息させる藻類の繁殖をもたらします。 この汚染を一掃し、公衆衛生と環境への損害を支払うことで、米国は年間XNUMX億ドルの費用がかかります。 第三に、化学肥料に関しては、公平さとアクセスの問題があります。 これらの肥料は、主要な先進国によって北半球で製造されており、主要な原料であるポストアッシュが豊富です。 ただし、特に南半球の国々では、輸送コストが高くなります。 したがって、貧しい地域の農家にとって、この障壁は作物の収量を低下させます。

これらの環境的および社会的課題は大きな問題を引き起こしますが、特に人口と気候変動が世界の食料供給にストレスをかけているため、農民は依然として世界の食料需要を満たすために必要な農業生産性を維持するために窒素を適用する必要があります。 そのため、肥料は重要なツールであり、今後もそうです。 

しかし、別の方法があるのでしょうか？

葉緑体とミトコンドリアの細菌適合性

これは、フォイトラボの研究者が窒素固定穀物の開発に取り組んでいるため、問題となっています。 彼らが開発した戦略は、マメ科植物と共生する窒素固定細菌の特定の遺伝子を標的とすることであり、 nif 遺伝子。 これらの遺伝子は、空気中の窒素を固定するタンパク質構造（ニトロゲナーゼクラスター）の発現を引き起こします。 これらの遺伝子が穀物にうまく導入されて発現することができれば、これらの作物は窒素を自分で得ることができるので、必要な窒素を加えるのに化学肥料はもはや必要ないでしょう。

しかし、この遺伝子工学の仕事は長い間、主要な技術的課題と見なされてきました。 の nif 経路は非常に大きく、さまざまな遺伝子が関与しています。 大きな遺伝子クラスターを移すこと自体が難しい作業ですが、この特定の経路にはさらに複雑さが伴います。 の nif 微生物の遺伝子は、相互に関連する遺伝部分の正確なシステムによって制御されています。 経路の窒素固定機能を正常に伝達するために、研究者は遺伝子自体を伝達するだけでなく、経路の制御に関与する細胞成分も複製する必要があります。

これは別の課題につながります。 マメ科植物における窒素固定の原因となる微生物は細菌（原核生物）であり、過去XNUMX年間プロジェクトに取り組んでいるVoigt研究室のポスドクであるEszter Majerが説明したように、「遺伝子発現は植物では完全に異なります、それは真核生物です。」 たとえば、原核生物は遺伝子をオペロンに組織化します。これは、フォイクトがその実験で使用しているタバコの葉などの真核生物には存在しない遺伝子構成システムです。 リエンジニアリング nif 真核生物の経路は、完全なシステムのオーバーホールと同じです。

Voigt研究室は回避策を見つけました。植物細胞全体を標的にするのではなく、細胞内のオルガネラ、具体的には葉緑体とミトコンドリアを標的にします。 ミトコンドリアと葉緑体はどちらも古代の細菌起源であり、かつては原核生物として真核細胞の外で独立して住んでいた。 何百万年も前に、それらはオルガネラとして真核生物のシステムに組み込まれました。 彼らは独自の遺伝データを持ち、現代の原核生物と多くの類似点を維持しているという点でユニークです。 結果として、それらはニトロゲナーゼ転移の優れた候補です。 Majer氏は、「経路全体を再設計して真核生物に転送するよりも、原核生物から原核生物のようなシステムに転送する方がはるかに簡単です」と説明しています。

遺伝子構造に加えて、これらのオルガネラには、ニトロゲナーゼクラスターが機能するのに適した環境となる追加の属性があります。 ニトロゲナーゼは機能するために多くのエネルギーを必要とし、葉緑体とミトコンドリアの両方がすでに細胞に対して大量のエネルギーを（ATPの形で）生成しています。 また、ニトロゲナーゼは酸素に非常に敏感であり、その環境に窒素が多すぎると機能しません。 ただし、夜間の葉緑体と植物のミトコンドリアは酸素レベルが低く、ニトロゲナーゼタンパク質が機能する理想的な場所となっています。

専門家の国際チーム

チームは、真核細胞を形質転換するためのアプローチを考案しましたが、彼らのプロジェクトには、非常に技術的な生物学的工学の課題が含まれていました。 J-WAFS助成金のおかげで、Voigt研究室は海外の大学のXNUMX人の専門家と協力して重要な専門知識を得ることができました。

XNUMX人は、スペインのマドリッド工科大学で窒素固定の生化学に焦点を当てた准教授のルイスルビオでした。 ルビオは、ニトロゲナーゼと窒素にヒントを得た化学の専門家です。 ミトコンドリアDNAの形質転換は困難なプロセスであるため、チームは酵母を使用してニトロゲナーゼ遺伝子送達システムを設計しました。 酵母は操作が容易な真核生物であり、ミトコンドリアを標的とするために使用できます。 チームは、ニトロゲナーゼ遺伝子を酵母の核に挿入し、その後、ペプチド融合を使用してミトコンドリアを標的とします。 この研究の結果、ニトロゲナーゼ構造タンパク質の形成を実証した最初の真核生物が生まれました。

Voigt研究室は、ドイツのMax Planck Institute of Molecular Plant Physiologyの葉緑体の専門家であるRalph Bockとも協力しました。 彼とVoigtチームは、窒素固定穀物の目標に向けて大きく前進しました。 畑作物工学を進め、窒素固定作業を促進する彼らの最近の成果の詳細は、今後数か月で発表されます。

夢を追求し続ける

J-WAFSとその結果としての非常に貴重な国際協力の支援を受けたVoigt研究室は、画期的な結果を得ることができ、窒素固定シリアルを通じて肥料の独立性に近づけました。 彼らは、ニトロゲナーゼをミトコンドリアにターゲティングすることを前進させ、完全なNifDKテトラマー（ニトロゲナーゼクラスターの重要なタンパク質）を酵母ミトコンドリアで発現させることができました。 これらのマイルストーンにもかかわらず、まだ多くの作業が行われていません。

「Voigt研究室は、窒素固定穀物の作出という夢にさらに近づくために、この研究を前進させることに投資しています」とChris Voigtは言います。 これらの画期的な出来事により、これらの研究者たちは大きな進歩を遂げ、世界的に穀物生産に革命をもたらす可能性のあるこの変革的なビジョンの実現に向けて前進を続けます。