Istnieje nacisk na wykorzystanie CRISPR do tworzenia technologii rolniczych, które pochłaniają dwutlenek węgla (CO₂) z powietrza i lepiej przechowywać w glebie. Z pomocą technologii CRISPR naukowcy tworzą zmodyfikowane genetycznie odmiany roślin, które lepiej magazynują węgiel i nie mają cech organizmów zmodyfikowanych genetycznie (GMO), które są wytwarzane z transgenów.

Powstało wiele projektów badawczych mających na celu poprawę biologicznej sekwestracji węgla, a tym samym pomoc w przywróceniu równowagi w obiegu węgla i zapobieganiu dalszemu gromadzeniu się CO₂ w atmosferze. Na przykład badania nad sekwestracją węgla prowadzone są w Innovative Genomics Institute (IGI), organizacji założonej przez laureatkę Nagrody Nobla dr Jennifer A. Doudna. W czerwcu 2022 r. Inicjatywa Chan Zuckerberg przekazała IGI 11 milionów dolarów, aby pomóc naukowcom znaleźć sposoby ochrony lub uzdrowienia ekosystemu przed szkodami wyrządzonymi przez ludzi.

Rolnictwo nowej generacji

Dr Bradley Ringeisen, dyrektor wykonawczy IGI, twierdzi, że musimy zmienić sposób, w jaki uprawiamy rolnictwo. „W ciągu najbliższych 30 lat musimy wykarmić od 2 do 3 miliardów ludzi” — podkreśla Ringeisen. „Nie możemy dalej tego robić przy śladzie węglowym, jaki ma obecnie rolnictwo. Mówimy o pokoleniach i musimy to zrobić dla planety. W rolnictwie istnieje wiele możliwości wychwytywania dwutlenku węgla. Od początku nowoczesnego rolnictwa 125 lat temu gleba straciła setki gigaton węgla. Ale uprawy mogą być wykorzystane do dodania węgla z powrotem do gleby za pomocą zmodyfikowanych roślin”.

IGI rozpoczęło się od ryżu jako organizmu modelowego. „Jeśli odniesiemy sukces w przypadku ryżu, pojawią się homologi w innych odmianach traw”, przewiduje Ringeisen. „Jednocześnie pracujemy nad poprawą podatności genetycznej sorgo, naprawdę głęboko zakorzenionej rośliny uprawnej, którą można wykorzystać do wychwytywania dwutlenku węgla i zboża na paszę dla zwierząt. Jest to również uprawa bioenergetyczna, więc można sobie wyobrazić przekształcanie części nadziemnej biomasy w biooleje lub inne formy bioenergii. Naprawdę widzimy, że potencjalnie rozkwita to w wielu różnych obszarach, aby naprawdę mieć globalny wpływ”.

Mistrzowski przepływ węgla

IGI opracowało program, który analizuje każdy możliwy punkt styku obiegu węgla w rolnictwie. „W tej chwili rolnicy i inżynierowie genetyczni nie myślą o tym całościowo jako o obiegu węgla”, zauważa Ringeisen. „Jak zwiększyć plony? Jak chronimy ryż przed określonym patogenem? Ludzie biorą małe kęsy, ale nie patrzą całościowo na cały proces. IGI próbuje przyjrzeć się zasadniczo każdemu krokowi”.

Fotosynteza

Pierwszym krokiem jest wykorzystanie inżynierii genetycznej lub CRISPR do zmiany procesu fotosyntezy. Ringeisen mówi, że jeśli zamierzasz wychwytywać dwutlenek węgla z biologią skoncentrowaną na rolnictwie, fotosynteza jest drogą do zrobienia ze względu na zwiększone plony i biomasę nad i pod ziemią. „Liczymy na usprawnienie fotosyntezy, więc jeśli oddzielimy większą część rzeczy wchodzących do korzeni lub głębiej w glebę, nie zmniejszymy plonów” — wyjaśnia Ringeisen. „Jeśli już, to mamy nadzieję na zwiększenie plonów, ale wszystko zaczyna się od fotosyntezy”.

Zespół IGI bada szereg genów fotosyntetycznych, które można podzielić na grupy na podstawie ich reakcji na światło i ciemność. Dr Krishna K. Niyogi, profesor biologii roślin i drobnoustrojów na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley oraz badacz w Instytucie Medycznym Howarda Hughesa (HHMI), odkrył szereg genów, które można wykorzystać do usprawnienia fotosyntezy. Znany jest ze swojej pracy nad zatrzymaniem mechanizmu, który wyłącza fotosyntezę, aby reakcje świetlne trwały dłużej.

Ale próby wykorzystania CRISPR do inżynierii genetycznej roślin nie powiodły się. Dr David Savage, badacz HHMI i profesor nadzwyczajny biologii molekularnej i komórkowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, powiedział gen że rośliny są trudne do namierzenia za pomocą systemu CRISPR-Cas9, ponieważ są bardzo ewolucyjnie rozbieżne pod względem ploidii i trudne do hodowli w postaci tkanek. Na przykład, jak zauważa Savage, CRISPR-Cas9 umożliwia „znokautowanie” myszy w ciągu zaledwie kilku miesięcy, podczas gdy odpowiedni eksperyment na roślinach zająłby lata.

Savage chce usprawnić dostarczanie roślin i stworzyć niezwykle skuteczne edytory. Aby to zrobić, firma Savage opracowała wysokowydajną platformę do badań przesiewowych, która sprowadza się do protoplastów — komórek roślinnych bez ścian komórkowych, które są totipotentne, czułe i wszechstronne. Dzięki tej platformie przesiewowej nie trzeba czekać przez cały cykl życiowy rośliny, od sadzonek do dorosłych roślin, aby móc zapytać, czy podejście oparte na modyfikacji genetycznej zadziałało lub czy gen był dobrym celem. Savage uważa, że ​​podejście platformowe może poprawić fotosyntezę o 30 do 50%.

Głębokość korzenia

Cały ten sekwestrowany węgiel musi gdzieś iść i właśnie o to chodzi w drugim kroku: przepływ węgla w roślinach. Dodatkowy sekwestrowany węgiel, który nie trafia do plonów nadziemnych, trafia głównie do biomasy podziemnej, do korzeni i przez wydzieliny korzeniowe do gleby. Ponad 40% suchej masy korzenia składa się z czystego węgla, co czyni masę korzenia istotną cechą.

IGI koncentruje się na tym, jak zwiększyć głębokość korzeni, ponieważ im głębiej wpompujesz węgiel w ziemię, tym większe jest prawdopodobieństwo, że węgiel pozostanie w glebie. Według Ringeisen pierwsze kilka centymetrów gleby to miejsca, w których zachodzi duża wymiana węgla. Ale jeśli węgiel dostanie się do korzeni poniżej tej warstwy, istnieje znacznie większe prawdopodobieństwo, że pozostanie tam przez dłuższy czas.

Dr Brian Staskawicz, dyrektor ds. zrównoważonego rolnictwa w IGI, współpracuje z dr Pamelą Ronald, wybitną profesor patologii roślin na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis, aby stworzyć korzenie ryżu i traw, które są głębsze – co najmniej 30 lub 40% głębsze niż to, co mają są z wysokowydajnymi odmianami. Ronald stworzył bibliotekę tysięcy mutantów ryżu, skutecznie wybijając każdy gen, co według Ringeisen okaże się kopalnią złota informacji. Ringeisen mówi, że ta inicjatywa badawcza zidentyfikowała już kilka wariantów, które są bardzo obiecujące.

“[Ronald] odkrył kilka różnych genów i sposobów wpływania na głębokość korzeni, ale to wierzchołek góry lodowej”, podkreśla Ringeisen. „Jeśli skoncentruje się na architekturach głównych w tej bibliotece, będzie ogromna ilość odkryć. Skupimy się wcześnie na tych mechanizmach, które już odkryła. Będzie wiele potencjalnych odkryć w tej zmutowanej bibliotece, jeśli posunie się naprzód”. Celem jest praca z tymi wariantami i identyfikacja innych genów i procesów w celu jeszcze głębszego rozszerzenia korzeni w celu przeprowadzenia prób terenowych.

Mikrobiom glebowy

Trzeci krok dotyczy wychwytywania węgla, który opuszcza korzenie, aby przyjrzeć się, jak działa przepływ węgla do gleby. „Staramy się zrozumieć, jakie kluczowe mechanizmy działają między ryżem, jego wydzielinami i mikrobiomem ryżu” – mówi Ringeisen. „Jak projektujemy ten system? Czy istnieje rola CRISPR w inżynierii zakładu? Czy istnieje rola CRISPR w potencjalnie bezpośredniej inżynierii drobnoustrojów? A może jest to potencjalnie po prostu sposób, w jaki odżywiasz mikrobiom i jak hodujesz mikrobiom, aby promować organizmy, które chcesz?

Dr Jillian Banfield, mikrobiolog gleby z UC Berkeley, która w 2005 roku wprowadziła Doudnę do CRISPR, próbuje zrekonstruować genomy organizmów, które aktywnie usuwają węgiel wytwarzany przez roślinę. Badanie mikrobiomu ryżu niełuskanego prowadzone przez jej zespół jest prawdopodobnie najbardziej dogłębną pracą, a Banfield wykorzysta je do zbadania sposobów ograniczenia emisji z gleby. „Jeśli możesz zmniejszyć emisje, oznacza to, że prawdopodobnie blokujesz ucieczkę gazów cieplarnianych i być może również gromadzisz więcej węgla w glebie” – sugeruje Ringeisen.

Dr Jennifer Pett-Ridge, pracownik naukowy Lawrence Livermore National Laboratory, pracuje z Banfield. Pett-Ridge jest odpowiedzialny za śledzenie organizmów społeczności drobnoustrojów i określanie, w jaki sposób mogą one pozostawać w glebie przez dłuższy czas. Jej historia jest jedną z lepkich cząsteczek, które pomagają węglowi przylegać do nieorganicznych i mineralnych osadów w glebie. Uważa, że ​​interakcje troficzne w ryzosferze, czyli w strefie podziemnej znajdującej się pod wpływem korzeni, tworzą prekursor dla części węgla, który ma zostać wchłonięty na powierzchnie mineralne i wyłapany w małych skupiskach. Bada również procesy z udziałem polisacharydów zewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomórkowych substancji polimerowych, które zwykle wzbogacają się w glebach, w których zwiększa się zawartość węgla.

Plan Pett-Ridge dotyczący projektu wspieranego przez Inicjatywę Chana Zuckerberga polega na skupieniu się na uprawach nadających się do zbioru na żywność lub paszę. Mówi, że mamy kontrolę nad uprawami w sposób, w jaki nie mamy kontroli nad dzikimi roślinami. Ma nadzieję na opracowanie upraw, które będą miały głębsze korzenie, będą wchodziły w interakcje z bardziej pozakomórkowymi substancjami polimerowymi i (być może pewnego dnia) rozwiną wzmocnione partnerstwa z różnymi populacjami żyjącymi w ich ryzosferze. Wszystkie te cechy wykorzystują to, co naturalnie prowadzi do większego gromadzenia węgla.

IGI pracuje ze wszystkich stron, opracowując rozwiązania w sposób akceptowalny dla bogatszych rolników w Stanach Zjednoczonych, ale także dla rolników na całym świecie. „Mamy nadzieję, że IGI może stać się ośrodkiem wspierającym rozwój technologii promujących farmę o zerowym bilansie netto”, oświadcza Ringeisen. „To jest przyszłość”.

Ta historia jest adaptacją artykułu pierwotnie opublikowanego w GEN Biotechnology.