Nos anos 80, Howard-Yana Shapiro, agora chefe de agricultura da Mars, Incorporated, estava procurando por novos tipos de milho. Ele estava no distrito de Mixes, em Oaxaca, no sul do México, a área onde os precursores do milho evoluíram, quando ele localizou alguns dos mais estranhos grãos já vistos. Não só era de 16 a 20 metros de altura, superando o material de 12 pés em campos americanos, demorou seis a oito meses para amadurecer, muito mais do que os 3 meses necessários para o milho convencional. No entanto, cresceu até aquelas alturas impressionantes no que pode ser chamado de solo pobre, sem o uso de fertilizantes. Mas a parte mais estranha do milho eram suas raízes aéreas - saliências verdes e cor de rosa, parecidas com dedos, saindo da superfície. talo de milho, gotejando com um gel claro e viscoso.
Shapiro suspeitava que aqueles dedos mucosos pudessem ser o Santo Graal da agricultura. Ele acreditava que as raízes permitiam que essa variedade única de milho, apelidada de Sierra Mixe e cultivada localmente por centenas ou mesmo milhares de anos, produzisse seu próprio nitrogênio, um nutriente essencial para plantações que normalmente é aplicado como fertilizante em quantidades épicas.
A idéia parecia promissora, mas sem ferramentas de DNA para examinar as especificidades de como o milho estava produzindo nitrogênio, a descoberta foi arquivada. Quase duas décadas depois, em 2005, Alan B. Bennett, da Universidade da Califórnia, Davis - junto com Shapiro e outros pesquisadores - começaram a usar tecnologia de ponta para investigar as propriedades fixadoras de nitrogênio do milho flocoso, descobrindo que, de fato, as bactérias que viviam no muco puxavam o nitrogênio do ar, transmutando-o em uma forma que o milho podia absorver.
Agora, depois de mais de uma década de pesquisa de campo e análise genética, a equipe publicou seu trabalho na revista PLOS Biology. Se a característica de fixação de nitrogênio pudesse ser transformada em milho convencional, permitindo a produção de uma porção do próprio nitrogênio, poderia reduzir o custo da agricultura, reduzir as emissões de gases do efeito estufa e deter um dos principais poluentes em lagos, rios e rios. oceano. Em outras palavras, isso poderia levar a uma segunda revolução do nitrogênio.
A produção sintética de nitrogênio pode ser a maior conquista do século XX. A descoberta do processo Haber-Bosch e seus refinamentos, nos quais o nitrogênio é retirado do ar sob altas temperaturas e pressão na presença de um catalisador, levou a três prêmios Nobel separados. E eles são bem merecidos. Estima-se que os rendimentos das colheitas mais do que duplicaram entre 1908 e 2008, com o fertilizante de azoto sintético responsável por metade desse crescimento. Alguns pesquisadores amarraram o enorme crescimento da população humana nos últimos setenta anos ao aumento do uso de fertilizantes nitrogenados. Sem isso, teríamos que cultivar quase quatro vezes mais terra ou ter bilhões de menos pessoas no mundo.
Mas produzir todo esse nitrogênio tem consequências. Estima-se que produzir fertilizantes através do processo Haber-Bosch consuma entre 1 e 2% da energia mundial, emitindo muitos gases de efeito estufa. E o nitrogênio sintético rotineiramente lava os campos em cursos d'água, levando a enormes proliferações de algas que sugam todo o oxigênio, matando peixes e outros organismos. Tanto nitrogênio entra em rios e córregos que grandes zonas mortas se desenvolveram na foz dos rios do mundo, incluindo uma no Golfo do México, que no ano passado foi do tamanho de Nova Jersey. Mark Sutton, do Centro de Ecologia e Hidrologia do Reino Unido, chama o nitrogênio de "o padrinho da poluição" - seus efeitos estão em toda parte, mas você nunca vê realmente o culpado.
Os pesquisadores até transplantaram o milho para Madison, Wisconsin, descobrindo que ainda era capaz de produzir seu próprio nitrogênio fora de seu ambiente nativo. (Foto: Jean-Michel Ané) Mas não podemos simplesmente abandonar o nitrogênio sem ver grandes reduções na agricultura. Embora o melhor manejo e as práticas agrícolas possam ajudar a mantê-lo fora dos canais, essas estratégias não são suficientes para corrigir os problemas ecológicos do nitrogênio. É por isso que os pesquisadores há décadas se perguntam se havia uma maneira de ajudar as culturas de cereais, como milho e trigo, a produzir seu próprio nitrogênio.
A ideia não é tão absurda quanto parece. Muitas plantas, em especial leguminosas como soja, amendoim e trevo, têm uma relação simbiótica com as bactérias Rhizobium, que produzem nitrogênio para elas. As plantas crescem nódulos radiculares onde as bactérias residem e tomam açúcares vegetais enquanto convertem nitrogênio no ar em uma forma que as plantas podem usar. Se for encontrada uma relação simbiótica semelhante que funcione em cereais como milho e trigo, os pesquisadores acreditam que podemos reduzir nosso uso do poluente.
É por isso que o muco é tão importante e por que Bennett e sua equipe passaram oito anos estudando e reestudando as bactérias e o gel para se convencer de que o milho era realmente capaz de produzir seu próprio nitrogênio. Usando o sequenciamento de DNA, eles foram capazes de mostrar os micróbios nos genes transportados pelo lodo para fixar o nitrogênio e demonstrar que o excreto de milho, que é rico em açúcar e oxigênio, é perfeitamente projetado para encorajar a fixação de nitrogênio. Usando cinco testes diferentes, eles mostraram que o nitrogênio produzido pelos micróbios chegava ao milho, fornecendo de 30 a 80% das necessidades da planta. Eles então produziram uma versão sintética do lodo e o semearam com os micróbios, descobrindo que também produziam nitrogênio naquele ambiente. Eles até cultivaram a Sierra Mixe em Davis, Califórnia, e Madison, Wisconsin, mostrando que ela poderia realizar seu truque especial fora de seu território no México.
"Esse mecanismo é totalmente diferente do que as leguminosas usam", diz Bennett, acrescentando que pode existir em outras culturas também. “É certamente concebível que tipos similares de sistemas existam em muitos cereais. O sorgo, por exemplo, tem raízes aéreas e mucilagem. Talvez outros tenham mecanismos mais sutis que ocorrem no subsolo e que poderiam existir mais amplamente. Agora que estamos cientes, podemos procurá-los.
O co-autor Jean Michel-Ane, da Universidade de Wisconsin, Madison, concorda que esta descoberta abre todos os tipos de novas possibilidades. “Cultivar milho para fixar nitrogênio e formar nódulos radiculares como leguminosas tem sido um sonho e uma luta de cientistas há décadas. Acontece que esse milho desenvolveu uma maneira totalmente diferente de resolver esse problema de fixação de nitrogênio. A comunidade científica provavelmente subestimou a fixação de nitrogênio em outras culturas por causa de sua obsessão por nódulos radiculares ”, diz ele em um comunicado. "Esse milho nos mostrou que a natureza pode encontrar soluções para alguns problemas muito além do que os cientistas poderiam imaginar."
Acontece que a natureza tem ainda mais truques de produção de nitrogênio na manga que os pesquisadores estão apenas começando a entender. Existem vários outros projetos em andamento com o objetivo de fazer com que as culturas de cereais e vegetais façam o Haber-Bosching para nós. Um dos mais promissores é o uso de endófitos, ou microorganismos como bactérias e fungos que vivem nos espaços intercelulares das plantas. A pesquisadora da Universidade de Washington, Sharon Doty, interessou-se pelos organismos algumas décadas atrás. Ela estava estudando salgueiros e choupos, que estão entre as primeiras árvores a crescer em terras perturbadas depois de eventos como erupções vulcânicas, inundações ou quedas de rochas. Estas árvores estavam crescendo fora do cascalho do rio, com quase nenhum acesso ao nitrogênio no solo. Dentro de suas hastes, no entanto, a Doty encontrou endófitos que fixaram o nitrogênio para as árvores, sem nódulos radiculares necessários. Desde então, ela provocou dezenas de várias linhagens endofíticas, muitas das quais ajudam as plantas de maneira surpreendente. Alguns produzem nitrogênio ou fósforo, outro nutriente importante, enquanto outros melhoram o crescimento da raiz e alguns permitem que as plantas sobrevivam em condições de seca ou alto teor de sal.
"Há uma enorme quantidade de micróbios diferentes que podem fixar nitrogênio e uma ampla variedade de espécies de plantas afetadas por eles", diz ela. Seus testes mostraram que os micróbios podem dobrar a produtividade das plantas de pimenta e tomate, melhorar o crescimento do arroz e conferir tolerância à seca para árvores como os abetos de Douglas. Alguns até permitem que árvores e plantas absorvam e destruam os contaminantes industriais e agora estão sendo usadas para limpar locais de Superfund. “A vantagem de usar endófitos é que é um grupo muito grande. Encontramos cepas que trabalham com arroz, milho, tomate, pimentão e outras plantas agrícolas de importância agrícola. ”
Na verdade, os endófitos podem chegar às mãos dos fazendeiros mais cedo ou mais tarde. O IntrinsyxBio, com sede em Los Altos, Califórnia, está comercializando alguns endofíticos da Doty. O diretor-chefe de ciências, John L. Freeman, disse em uma entrevista que a empresa está no caminho para ter um produto pronto para o mercado em 2019. O objetivo é fornecer várias linhagens de endófitos para as plantas, provavelmente cobrindo as sementes. Depois que essas bactérias passam a residir dentro da planta, elas devem bombear cerca de 25% do nitrogênio de que precisam.
Outra empresa de biotecnologia, chamada Pivot Bio, anunciou recentemente que está testando uma solução similar, usando micróbios fixadores de nitrogênio que crescem nos sistemas radiculares do milho.
O campo emergente da biologia sintética também está tomando uma rachadura no problema do nitrogênio. A Joyn Bio, com sede em Boston, formada em setembro passado, é um co-projeto entre a Bayer e a Ginkgo Bioworks, uma empresa de biotecnologia com experiência na criação de leveduras e bactérias personalizadas para a indústria de alimentos e flavorizantes, entre outros projetos de "micróbios projetados". Joyn está atualmente vasculhando a biblioteca da Bayer de mais de 100.000 micróbios para encontrar um hospedeiro que possa colonizar plantas com sucesso, similar aos endofíticos de Doty. Então eles esperam ajustar o “chassi do host” com genes que permitirão fixar o nitrogênio. "Em vez de confiar na natureza e encontrar um micróbio mágico, que não achamos que exista, queremos encontrar nosso micróbio hospedeiro e ajustá-lo para fazer o que precisamos para produzir milho ou trigo", diz Michael Miille, CEO da Joyn. .
A Fundação Gates também participa do jogo, apoiando projetos que tentam transmitir as habilidades de fixação de nitrogênio das leguminosas aos cereais. Ainda outras equipes esperam que o surgimento da computação quântica superalimentada abra novas áreas da química e identifique novos catalisadores que tornem o processo Haber-Bosch muito mais eficiente.
Embora seja improvável que uma única solução seja capaz de substituir 100% do fertilizante sintético usado pelos humanos, talvez juntos esses projetos possam afetar seriamente a poluição por nitrogênio. Bennett espera que a Sierra Mixe e o que sua equipe aprendeu com ela farão parte da revolução do nitrogênio, embora ele admita que é um salto muito longo antes que seus dedos de milho viscoso comecem a produzir nitrogênio nas lavouras convencionais. Ele agora quer identificar os genes que produzem as raízes aéreas e determinar quais dos milhares de micróbios descobertos na mucilagem estão realmente fixando o nitrogênio.
"Eu acho que o que estamos fazendo pode ser complementar a essas abordagens [endófita e biologia sintética]", diz ele. "Acho que veremos muitas estratégias divergentes e, daqui a 5 a 10 anos, surgirá algo que impactará como o milho obtém nitrogênio."
Nota do editor 15/8/18: Um rascunho anterior deste artigo grafou incorretamente o nome de John L. Freeman e identificou erroneamente sua empresa atual.
