Фотосинтез - химическая реакция, обеспечивающая существование практически всей растительной жизни на Земле - крайне неэффективен в плане улавливания энергии: лишь около 1% световой энергии, поглощаемой растением, преобразуется в химическую энергию внутри растения, считают авторы нового исследования, предложившие радикально новый метод выращивания без солнца с ГМО культурами, поедающими ацетат.
«Если нам больше не нужно выращивать растения при солнечном свете, то мы можем отделить сельское хозяйство от окружающей среды и выращивать продукты питания в закрытых контролируемых условиях, - говорит автор-корреспондент и инженер-биолог Роберт Джинкерсон из Калифорнийского университета в Риверсайде. - Я думаю, что нам необходимо уже сейчас перевести сельское хозяйство на новый уровень технологий, и следующим шагом должно стать контролируемое производство, отделенное от природы».
В статье, опубликованной в Cell Press и Joule, биоинженеры предлагают радикально новый метод производства продуктов питания, который они называют «электросельским хозяйством». Метод по сути заменяет фотосинтез химической реакцией на солнечной энергии, которая более эффективно преобразует CO2 в органическую молекулу, которую ГМО растения будут «поедать».
Исследователи подсчитали, что если бы все продукты питания в США производились с использованием электросельского хозяйства, это сократило бы количество земли, необходимой для сельского хозяйства, на 94%. Этот метод также можно использовать на случай катастроф, когда солнечный свет был бы недоступен или минимально доступен, а также для выращивания продуктов питания в космосе.
По словам исследователей, электросельское хозяйство означает замену сельскохозяйственных полей многоэтажными зданиями. Солнечные панели на зданиях или около них будут поглощать солнечное излучение, и эта энергия будет питать химическую реакцию между CO2 и водой для получения ацетата - молекулы, похожей на уксусную кислоту, основной компонент уксуса.
Ацетат затем будет потребляться растениями на гидропонике. Этот метод также может быть использован для выращивания других организмов, производящих пищу, поскольку ацетат естественным образом используется грибами, дрожжами и водорослями.
«Весь смысл этого нового процесса в попытке повысить эффективность фотосинтеза, - говорит старший автор Фэн Цзяо, электрохимик из Вашингтонского университета в Сент-Луисе. - Сейчас мы имеем эффективность около 4%, что уже в четыре раза выше, чем для фотосинтеза, и поскольку при этом методе все более эффективно, выбросы CO2, связанные с производством продуктов питания, становятся намного меньше».
Для генной инженерии растений, питающихся ацетатом, исследователи используют метаболический путь, который прорастающие растения используют для расщепления пищи, хранящейся в их семенах. Этот путь отключается, как только растения становятся способными к фотосинтезу, но включение его снова позволит им использовать ацетат в качестве источника энергии и углерода.
«Мы пытаемся снова включить этот путь во взрослых растениях и пробудить их природную способность использовать ацетат, - говорит Джинкерсон. - Это аналогично непереносимости лактозы у людей - в младенчестве мы можем переваривать лактозу из молока, но у многих людей этот путь отключается, когда они вырастают. Это своего рода та же идея, только для растений».
Команда сосредоточила свои первоначальные исследования на томатах и салате, но в будущем планирует перейти к высококалорийным основным культурам, таким как зерновые, маниока, батат. В настоящее время им удалось создать растения, которые могут использовать ацетат в дополнение к фотосинтезу, но в конечном итоге они нацелены на создание растений, которые могут получать всю необходимую им энергию из ацетата, что означает, что им самим не понадобится свет.
«Что касается растений, то мы все еще находимся на этапе исследований и разработок, пытаясь заставить их использовать ацетат в качестве источника углерода, поскольку растения не эволюционировали для такого роста, но мы добиваемся прогресса, - сказал Джинкерсон. - Однако грибы, дрожжи и водоросли можно выращивать таким образом уже сегодня, поэтому я думаю, что сначала можно будет коммерциализировать именно эти виды применения, а растения появятся позже».
Исследователи также планируют продолжить совершенствование метода производства ацетата, чтобы сделать систему фиксации углерода еще более эффективной.
«Это только первый шаг данного исследования, и я думаю, есть надежда, что его эффективность и стоимость значительно улучшатся в ближайшем будущем», заключил Цзяо.
Фотосинтез - химическая реакция, обеспечивающая существование практически всей растительной жизни на Земле - крайне неэффективен в плане улавливания энергии: лишь около 1% световой энергии, поглощаемой растением, преобразуется в химическую энергию внутри растения, считают авторы нового исследования, предложившие радикально новый метод выращивания без солнца с ГМО культурами, поедающими ацетат.
«Если нам больше не нужно выращивать растения при солнечном свете, то мы можем отделить сельское хозяйство от окружающей среды и выращивать продукты питания в закрытых контролируемых условиях, - говорит автор-корреспондент и инженер-биолог Роберт Джинкерсон из Калифорнийского университета в Риверсайде. - Я думаю, что нам необходимо уже сейчас перевести сельское хозяйство на новый уровень технологий, и следующим шагом должно стать контролируемое производство, отделенное от природы».
В статье, опубликованной в Cell Press и Joule, биоинженеры предлагают радикально новый метод производства продуктов питания, который они называют «электросельским хозяйством». Метод по сути заменяет фотосинтез химической реакцией на солнечной энергии, которая более эффективно преобразует CO2 в органическую молекулу, которую ГМО растения будут «поедать».
Исследователи подсчитали, что если бы все продукты питания в США производились с использованием электросельского хозяйства, это сократило бы количество земли, необходимой для сельского хозяйства, на 94%. Этот метод также можно использовать на случай катастроф, когда солнечный свет был бы недоступен или минимально доступен, а также для выращивания продуктов питания в космосе.
По словам исследователей, электросельское хозяйство означает замену сельскохозяйственных полей многоэтажными зданиями. Солнечные панели на зданиях или около них будут поглощать солнечное излучение, и эта энергия будет питать химическую реакцию между CO2 и водой для получения ацетата - молекулы, похожей на уксусную кислоту, основной компонент уксуса.
Ацетат затем будет потребляться растениями на гидропонике. Этот метод также может быть использован для выращивания других организмов, производящих пищу, поскольку ацетат естественным образом используется грибами, дрожжами и водорослями.
«Весь смысл этого нового процесса в попытке повысить эффективность фотосинтеза, - говорит старший автор Фэн Цзяо, электрохимик из Вашингтонского университета в Сент-Луисе. - Сейчас мы имеем эффективность около 4%, что уже в четыре раза выше, чем для фотосинтеза, и поскольку при этом методе все более эффективно, выбросы CO2, связанные с производством продуктов питания, становятся намного меньше».
Для генной инженерии растений, питающихся ацетатом, исследователи используют метаболический путь, который прорастающие растения используют для расщепления пищи, хранящейся в их семенах. Этот путь отключается, как только растения становятся способными к фотосинтезу, но включение его снова позволит им использовать ацетат в качестве источника энергии и углерода.
«Мы пытаемся снова включить этот путь во взрослых растениях и пробудить их природную способность использовать ацетат, - говорит Джинкерсон. - Это аналогично непереносимости лактозы у людей - в младенчестве мы можем переваривать лактозу из молока, но у многих людей этот путь отключается, когда они вырастают. Это своего рода та же идея, только для растений».
Команда сосредоточила свои первоначальные исследования на томатах и салате, но в будущем планирует перейти к высококалорийным основным культурам, таким как зерновые, маниока, батат. В настоящее время им удалось создать растения, которые могут использовать ацетат в дополнение к фотосинтезу, но в конечном итоге они нацелены на создание растений, которые могут получать всю необходимую им энергию из ацетата, что означает, что им самим не понадобится свет.
«Что касается растений, то мы все еще находимся на этапе исследований и разработок, пытаясь заставить их использовать ацетат в качестве источника углерода, поскольку растения не эволюционировали для такого роста, но мы добиваемся прогресса, - сказал Джинкерсон. - Однако грибы, дрожжи и водоросли можно выращивать таким образом уже сегодня, поэтому я думаю, что сначала можно будет коммерциализировать именно эти виды применения, а растения появятся позже».
Исследователи также планируют продолжить совершенствование метода производства ацетата, чтобы сделать систему фиксации углерода еще более эффективной.
«Это только первый шаг данного исследования, и я думаю, есть надежда, что его эффективность и стоимость значительно улучшатся в ближайшем будущем», заключил Цзяо.
