A mund të hakojmë ADN-në në bimë për të ndihmuar në luftimin e ndryshimeve klimatike?

Për të parandaluar nivelet e rrezikshme të ngrohjes globale, shkencëtarët thonë se nuk do të mjaftojë vetëm të ndalohet djegia e lëndëve djegëse fosile që lëshojnë karbon në ajër. Për shkak se është praktikisht e pamundur për njerëzimin që ta bëjë këtë aq shpejt sa kërkohet tani, do të na duhet gjithashtu të nxjerrim karbonin nga ajri dhe ta sigurojmë atë.

Bimët janë ndër mjetet më të mira që kemi për ta bërë këtë, pasi këta kolektorë diellorë të gjallë tashmë kapin miliarda ton dioksid karboni çdo vit nga atmosfera përmes fotosintezës. Rreth gjysma e këtij karboni rrjedh në rrënjë dhe përfundimisht në tokë, ku mund të qëndrojë për qindra deri në mijëra vjet.

Por, çka nëse mund të krijonim bimë dhe toka që janë edhe më të mira në kapjen e karbonit? Me modifikimin e gjenomit CRISPR – një grup mjetesh të reja revolucionare të biologjisë molekulare që u lejon shkencëtarëve të bëjnë modifikime të shpejta dhe të sakta të kodit të ADN-së që mbështet gjithë jetën – kjo mund të jetë e mundur.

Muajin e kaluar, Instituti Inovativ i Gjenomikës (IGI), një konsorcium kërkimor në zonën e Gjirit të San Franciskos i themeluar nga pionierja e CRISPR Jennifer Doudna, filloi të eksplorojë me zell idenë. Me një dhuratë prej 11 milionë dollarësh nga Instituti Chan Zuckerberg, një ekip gjenetistësh të bimëve, shkencëtarë të tokës dhe ekologë mikrobikë filluan një përpjekje trevjeçare duke përdorur CRISPR për të krijuar varietete të reja kulturash që fotosintezojnë në mënyrë më efikase dhe derdhin më shumë karbon në tokë. Përfundimisht, studiuesit shpresojnë të krijojnë fara orizi dhe melekuqe të modifikuara nga gjenet që mund të – nëse mbillen në mbarë globin – të tërheqin më shumë se një miliard ton karbon shtesë nga ajri çdo vit.

Është një objektiv jashtëzakonisht ambicioz dhe ekipi ka të ngjarë të përballet me sfida të shumta në laborator përpara se impiantet e tij për pastrimin e CO2 të vendosen në tokë. Konsiderata shtesë sociale, politike dhe etike do të përcaktojnë nëse ato kultura do të adoptohen gjerësisht nga fermerët. Por studiuesit besojnë se projekti i tyre ambicioz plotëson urgjencën e krizës klimatike.

“Ndryshimi i klimës është një problem serioz dhe serioz,” thotë Brad Ringeisen, drejtori ekzekutiv i IGI dhe hetuesi kryesor i projektit. “Po kërcënon të gjithë botën. CRISPR mund të përdoret për të dhënë efekte pozitive në klimën, dhe kështu ne po e bëjmë atë.”

Aftësia e bimëve për të sekuestruar karbonin fillon natyrshëm brenda ndarjeve të vogla qelizore të quajtura kloroplaste. Atje, energjia nga rrezet e diellit përdoret për të hequr elektronet nga molekulat e ujit dhe për t’i shtuar ato në dioksid karboni, duke e shndërruar atë në glukozë, një sheqer i thjeshtë. Më pas, bima përdor karbonin organik për të rritur gjethe, lastarë dhe rrënjë të reja.

U deshën qindra miliona vjet që makineria biokimike që qëndron pas fotosintezës të evoluonte. Por në dekadat e fundit, biologët e bimëve kanë zbuluar se procesi është çuditërisht joefikas. Për shembull, kur jashtë është shumë diell, bimët shpesh do të fikin proteinat kryesore të përfshira në mbledhjen e fotoneve të dritës. Kjo ndihmon për t’u siguruar që ata të mos angazhojnë më shumë burime për të mbledhur rrezet e diellit kur faktorë të tjerë, si uji dhe lëndët ushqyese, mund të kufizojnë rritjen e tyre.

Por nuk është e nevojshme që bimët ta bëjnë këtë, thotë David Savage, një biolog i bimëve në Universitetin e Kalifornisë, Berkeley dhe anëtar i ekipit hulumtues IGI. Bimët “Ju mund ta mbani fotosintezën në maksimum” dhe ta ktheni atë rrezet e diellit në karbon të ruajtur nëse njerëzit sigurojnë që ato ujiten dhe fekondohen mirë.

Për vite të tëra, studiuesit janë përpjekur të përmirësojnë fotosintezën duke përdorur inxhinierinë gjenetike tradicionale – duke futur copa të ADN-së nga bakteret ose bimët e tjera, me tipare të dëshirueshme, në gjenet që kodojnë proteinat që mbledhin dritë dhe makineri të tjera biokimike. Redaktimi i gjenomave duke përdorur përsëritjet e shkurtra palindromike të grumbulluara rregullisht në interspaced, ose CRISPR, është i ndryshëm. Një sistem që evoluoi natyrshëm në baktere për të luftuar viruset, CRISPR është si një palë gërshërë molekulare që shkencëtarët mund ta përdorin për të prerë dhe ngjitur modifikime në të gjithë gjenomin e një organizmi pa futur fare ADN të huaj.

Më i shpejtë dhe më i saktë se sa qasjet e mëparshme të inxhinierisë gjenetike, redaktimi i gjenomit CRISPR hap një derë për përparime të shpejta. “Ne mund të fillojmë të optimizojmë rrugët [e fotosintezës] në një mënyrë që ka qenë krejtësisht e pamundur,” thotë Savage.

Duke punuar së pari me qelizat individuale, Savage dhe kolegët e tij do të përdorin CRISPR për të bërë miliona modifikime të vogla gjenetike në oriz, një kulturë që është relativisht e lehtë për t’u manipuluar gjenetikisht sot, pjesërisht sepse është studiuar shumë mirë për inxhinierinë gjenetike në të kaluarën. Hulumtuesit më pas do të kontrollojnë qelizat për mutacione që mund t’i bëjnë hapat kyç në fotosintezë më efikase. Përfundimisht, ata do të marrin linjat qelizore më premtuese dhe do të rritin bimët aktuale të orizit për të parë se si qëndrojnë modifikimet e tyre.

Bazuar në vlerësimet e publikuara më parë, Savage beson se grumbullimi i modifikimeve të shumta gjenetike të dobishme së bashku mund të rrisë efikasitetin e fotosintezës – dhe kështu, sasinë e bimëve të orizit të karbonit që kapin në indet e tyre – me 30 për qind ose më shumë.

Megjithatë, për të rritur sekuestrimin e karbonit në tokat bujqësore, një pjesë e këtij karboni shtesë duhet të bjerë nën tokë. Në kërkimin paralel të udhëhequr nga gjenetistja e të korrave Pamela Ronald në Universitetin e Kalifornisë, Davis, studiuesit do të ekzaminojnë një bibliotekë prej 3200 llojeve mutante të orizit të vendosura në IGI për varietetet me tipare të dobishme të rrënjëve. Këto përfshijnë shtame orizi me rrënjë të gjata që mund të derdhin karbonin në shtresat më të thella të tokës, si dhe shtame rrënjët e të cilave lëshojnë më shumë molekula të rënda të sheqerit, të quajtura eksudate, që nxisin rritjen e komuniteteve mikrobike të tokës.

Sapo Ronald dhe kolegët e saj të kenë identifikuar shtame orizi me tipare interesante rrënjësore, ata shpresojnë të përdorin modifikimin e gjenomit CRISPR për të optimizuar më tej ato tipare.

Wolfgang Busch, një biolog i bimëve në Institutin Salk, i cili drejton Iniciativën e Shfrytëzimit të Bimëve, një përpjekje e veçantë për të inxhinieruar kulturat me potencial të shtuar të sekuestrimit të karbonit në tokë, thotë se shumë tipare të dobishme të rrënjëve ekzistojnë tashmë në natyrë. Ekipi i tij, për shembull, ka identifikuar varietete natyrale të melekuqes që prodhojnë rrënjë gjithnjë e më të gjata. Është “e padiskutueshme”, thotë Busch, që këto tipare mund të manipulohen më tej duke përdorur CRISPR.

Por Busch paralajmëron se redaktimi i këtyre tipareve në një mënyrë që prodhon përfitime të qarta do të jetë sfiduese. Manipulimet gjenetike që çojnë në rezultate premtuese në një pjatë Petri ose serë mund të mos shkaktojnë të njëjtat rezultate në terren, ku kushtet mjedisore janë më të ndryshueshme. Ndryshimet që ofrojnë avantazhe specifike, si rrënjosje më e thellë, mund të kenë gjithashtu efekte anësore të padëshiruara, si ndryshimi i kohës së zhvillimit të farës. Të gjitha këto janë çështje me të cilat shkencëtarët presin të merren gjatë procesit të kërkimit. Busch thotë se është e rëndësishme të merret parasysh kjo kur vlerësohet se sa kohë do të duhet për të sjellë fara të reja në treg.

“Ne thelb parashikojmë që shumica e gjërave që zbulojmë në serë dhe laborator do të dështojnë” për të prodhuar efektet e dëshiruara në terren, thotë Busch. “Zgjidhja është të identifikohen shumë prej tyre, në mënyrë që disa ta arrijnë.”

Nëse fabrikat inxhinierike për të derdhur më shumë karbon nën tokë do të jetë një sfidë, sigurimi që ai karbon të mbetet në tokë për një kohë të gjatë e zhyt projektin në një territor të panjohur shkencor. “Kjo është pjesa më e vështirë,” thotë Ringeisen.

Një bashkësi komplekse mikroorganizmash dhe kërpudhash dekompozon karbonin që bimët vendosin në tokë, duke e shndërruar atë në një larmi të madhe komponimesh të ndryshme. Një pjesë e këtij karboni është lëndë djegëse e shpejtë për mikrobet, të cilat e gëlltisin atë dhe lëshojnë dioksid karboni përsëri në atmosferë. Por një pjesë tjetër e karbonit nuk është aq e lehtë për t’u shpërbërë nga mikrobet, për shkak të kimisë së tij, vendndodhjes së tij brenda grimcave të mëdha të quajtura agregate ose tendencës së tij për t’u ngjitur në sipërfaqet minerale. Këto molekula formojnë një pishinë të qëndrueshme karboni të tokës që mund të zgjasë dekada ose më shumë.

Shkencëtarët janë ende duke u përpjekur të kuptojnë se si diversiteti fizik, kimik dhe biologjik i dherave formon atë pishinë të qëndrueshme të karbonit. Ekspertët e tokës në ekipin e kërkimit IGI shpresojnë të shtojnë në këtë bazë njohurish – dhe në fund të fundit, të përdorin atë që mësojnë për të përmirësuar sekuestrimin e karbonit.

Nga ana e biologjisë, ekologia mikrobiale e UC Berkeley Jill Banfield dhe kolegët e saj do të përdorin mjete të sekuencës gjenomike për të hetuar mikrobet specifike dhe tiparet e ciklit të karbonit në tokën që rrethon kulturat e modifikuara nga CRISPR. Banfield thotë se ajo është veçanërisht e interesuar në kërkimin e specieve mikrobike që, si bimët, përdorin dioksidin e karbonit drejtpërdrejt për të krijuar ushqimin e tyre, dhe ato që prodhojnë polisaharide jashtëqelizore – substanca ngjitëse, me sheqer që veprojnë si ngjitës, duke rritur formimin e agregateve të tokës që bllokojnë karbonin. .

Qëllimi kryesor i punës mikrobiale, thotë Banfield, është të zhvillojë “njohuri themelore për atë që po ndodh në tokë” dhe se si modifikimi i bimëve me CRISPR e ndryshon atë. Por në të ardhmen, mund të jetë gjithashtu e mundur që të projektohen drejtpërdrejt mikrobet e tokës. Hulumtimet që Banfield, Doudna dhe të tjerë botuan në fillim të këtij viti demonstrojnë një qasje të bazuar në CRISPR për të bërë redaktime të ADN-së brenda një komuniteti të ndryshëm mikrobik. Ky është një hap i madh përpara nga mënyra se si funksionon redaktimi i gjeneve mikrobiale sot: Studiuesit duhet së pari të izolojnë specie individuale dhe t’i rritin ato në laborator, një proces që kërkon kohë dhe i prirur për dështim.

Megjithatë, është shumë herët të thuhet nëse kjo qasje e re e redaktimit të komunitetit mund të përdoret për të përmirësuar disi tokat. “Toka është kufiri përfundimtar i kësaj,” thotë Ringesein. “Por kjo është diçka që ne e shohim si një mundësi.”

Ndërsa kërkimi mikrobik po vazhdon, shkencëtarja e tokës në Laboratorin Kombëtar Lawrence Livermore, Jennifer Pett-Ridge dhe kolegët e saj kanë një detyrë shumë të rëndësishme: Numërimin e atomeve të karbonit për t’u siguruar që i gjithë koncepti, nga qelizat bimore te toka, funksionon në të vërtetë.

Duke vendosur të korrat e modifikuara nga gjenet në dhoma të veçanta të rritjes dhe duke i përmbytur ato me CO2 që përmban një izotop të rrallë dhe të rëndë të njohur si karboni-13, studiuesit do të jenë në gjendje të shohin saktësisht se sa karbon po marrin bimët e tyre dhe ku po përfundon.

“Në secilën prej këtyre pishinave, qofshin gjethe, rrënjë, eksudate, qeliza mikrobike apo edhe ADN mikrobike, ne mund ta shohim atë karbon-13”, thotë Pett-Ridge. “Dhe ne mund të përcaktojmë sasinë se sa është shtuar dhe sa përfundon në çdo pishinë.” Ekipi i Pett-Ridge do të matë gjithashtu një izotop radioaktiv edhe më të rrallë të njohur si karboni-14, i cili mund të përdoret për të vlerësuar moshën e karbonit të tokës dhe shpejtësinë e ciklimit të tij.

Teknikat e kontabilitetit të karbonit të Pett-Ridge janë “mjete vërtet kritike që duhet të përdoren për të treguar atributin”, thotë Jane Zelikova, drejtoresha e Qendrës së Zgjidhjeve të Karbonit të Tokës në Universitetin Shtetëror të Kolorados. Zelikova nuk është e përfshirë në përpjekjet kërkimore të IGI.

“Shumë njerëz po bëjnë pretendime rreth rritjes së karbonit të tokës, por ka mungesë të provave rreth atribuimit,” thotë Zelikova. “A mund të tregoni në fakt se zgjidhja që keni zhvilluar po bën ndikime të matshme në rezervat e karbonit të tokës, dhe veçanërisht në molekulat që priren të qëndrojnë përreth për një kohë të gjatë? Bërja e kësaj në një mënyrë rigoroze është thelbësore.”

Nëse studiuesit arrijnë të krijojnë një varietet orizi të modifikuar nga gjenet që përmirëson sekuestrimin e karbonit në tokë, atëherë përfundimisht (dhe me financime të mëtejshme) ata shpresojnë të bëjnë të njëjtat modifikime në melekuqe, një kulturë ushqimore kryesore në Afrikë dhe Azinë Jugore. Ndërsa orizi është një kulturë e dobishme për përmirësimin e teknikave të redaktimit të gjeneve, të afërmit me rrënjë më të thella si melekuqe mund të shtojnë më shumë karbon në rajonet e tokës që kanë aftësinë për ta absorbuar atë.

Në fund të fundit, studiuesit synojnë të nisin prova ndërkombëtare në terren që vendosin si orizin dhe farat e melekuqes të redaktuar nga CRISPR në duart e fermerëve brenda 10 viteve – një afat kohor ambicioz që Zelikova thotë se “përputhet me urgjencën e problemit dhe shkallën në të cilën duhet të gjejmë Zgjidhjet.” Drejtoresha e Ndikimit Publik të IGI, Melinda Kleigman thotë se në mënyrë ideale, ekipi do të jetë në gjendje t’u ofrojë fermerëve fara që jo vetëm përmirësojnë sekuestrimin e karbonit, por gjithashtu ofrojnë përfitime shtesë, të tilla si rritja e rendimentit ose pjelloria e përmirësuar e tokës. “Unë nuk mendoj se ne do të kemi një program të suksesshëm nëse gjithçka që bën është sekuestrimi i karbonit,” thotë Kleigman. “Duhet të ketë një përfitim shtesë për fermerin.”

Edhe nëse ekipi është në gjendje të prodhojë fara që ofrojnë përfitime të shumëfishta, mund të mos jetë e lehtë t’i adoptosh fermerët. “Fermerët priren të jenë, si komunitet, pak rezistent ndaj gjërave të reja dhe ndryshimeve,” thotë Zelikova. “Ata duan t’i shohin gjërat vërtet të testuara mirë dhe të pa rrezikuara përpara se t’i zbatojnë ato në hektarët e tyre.”

Disa fermerë dhe disa nga klientët e tyre, mund të jenë të kujdesshëm ndaj një kulture që u ndryshua duke përdorur modifikimin e gjenomit CRISPR, një teknologji ende shumë e re. Ndërsa kulturat e redaktuara nga CRISPR nuk janë domosdoshmërisht të rregulluara si “OMGJ” – një etiketë e kufizuar zakonisht për organizmat që përmbajnë ADN të huaj – një perceptim i ngjashëm se ato janë më pak të dëshirueshme se kulturat konvencionale mund të pengojë pranimin publik. Ndërsa redaktimi i gjenomit CRISPR bëhet më i përhapur, është thelbësore që organizatat që e promovojnë atë të jenë transparente për mënyrën se si organizmat u ndryshuan, thotë Kleigman. “Nëse njerëzit nuk e duan këtë në komunitetet e tyre, ne duhet t’u japim atyre një mundësi për të hequr dorë.”

Por Kleigman dyshon se shumë komunitete do të duan të korrat e krijuara për të luftuar ndryshimet klimatike dhe për të lulëzuar në një botë më të nxehtë. “Është mendimi im,” thotë ajo, “se do të arrijmë në pikën ku nuk do të ketë shumë opsione të tjera në dispozicion.”