能让全世界穷人都吃上饭 这种超级细菌是何方神圣

何琴

世界上仍有许多人还过着食不果腹的日子。根据联合国粮农组织(FAO)2015年发布的《世界粮食不安全状况》报告，全球有将近7.95亿人营养不良，相当于9人中就有1人在挨饿。

直到现在，情况仍未好转。据FAO 3月31日发布的《2017年全球粮食危机》报告，2016年全球面临严重粮食不安全的人口从2015年的8000万猛增至1.08亿。

怎样走出人类在粮食生产和供应上面临的严重困境？科学家们再次将目光投向了微生物。

近日，哈佛大学传来令人振奋的消息：该校化学家丹尼尔·诺塞拉(Daniel Nocera)及其领导的团队，利用基因重组技术设计出一种超级细菌，可捕捉空气中的氮气、氢气和二氧化碳合成出氨，若将这种细菌添加到土壤中，可以为粮食作物提供丰富而又廉价的氮肥，减少作物对氮素化肥的依赖。

该技术的推广应用可以帮助世界上最贫穷地区的农民增加作物产量，消除长期营养不良的糟糕状况。

氮是构成DNA、蛋白质等一切生命物质的必需元素，也是肥料的关键组分。我们呼吸的空气中有80%是氮气。但是，氮是惰性的，氮气分子中很强的化学键使其难以被植物和人体直接吸收。

一个多世纪前，德国化学家弗里茨·哈伯(Fritz Haber)和卡尔·博世(Carl Bosch)发明了一种工业化合成氨工艺。但是，Haber-Bosch工艺条件苛刻，需要高温和高压环境，还需要分子氢(H2)源，如甲烷（天然气的主要成分）。甲烷本身并不昂贵，但将甲烷和氮转化为氨需要建造大型化工厂，且氮肥的分销需要大量基础设施，成为许多贫穷国家在自己国内生产氮肥的最大障碍。

过去，人们发现一些微生物已进化出一种称为固氮酶的蛋白质，它可以帮助微生物分解空气中的氮分子，并使氮与氢结合生成氨和其他植物可以吸收的化合物，以获得生长所必需的氮素。

几年前，丹尼尔·诺塞拉带领的研究人员曾设计出一种人造叶片，它将两种不同的催化剂结合到半导体上来捕获阳光，并利用吸收的能量使水分子(H2O)分解成H2和氧(O2)。当时，他们专注于使用捕获的氢作为化学燃料，用于直接燃烧或者通过称为燃料电池的设备来发电。

2016年，诺塞拉称他的团队已对叫做罗尔斯通氏菌(Ralstonia eutropha)的细菌进行了基因重组，可以从空气中吸收H2和二氧化碳 (CO2)，并让它们结合制造出碳氢化合物燃料。当时他们计划下一步对另外一种类型的细菌进行基因重组，以扩大其功能范围，从而将氮气从空气中剥离来制造肥料。

用含有转基因细菌的土壤培育的萝卜（右）比对照组长得更大

他们将目光转向一种称为自养黄色杆菌(Xanthobacter autotrophicus)的细菌，这种微生物本身含有一种固氮酶，但还需要一种方法来提供合成氨用的H2源。

因此，他们对Xanthobacter进行了基因重组，使细菌细胞内产生一种称为氢化酶的酶。重组后的细菌能以H2为食，生成细胞能量ATP。随后，重组细菌利用ATP、空气中的H2和CO2合成一种称为聚羟基丁酸酯或PHB的生物塑料，这种物质可以存储在细菌体内。

生成PHB后，细菌内的固氮酶即开始工作：细菌从PHB储存器获取H2，并利用自身固氮酶将其与来自空气的氮结合从而产生氨——肥料的起始材料。

这一成果不仅在实验室获得了成功，研究人员还将转基因Xanthobacter菌溶于溶液中，并用之浇灌萝卜作物，结果显示，长出来的萝卜比没有重组基因或没有施加其他肥料的对照组个头大150%以上。当地时间4月3日，诺塞拉在加州圣弗朗西斯科举行的美国化学学会会议上报道了他们的研究进展。

瑞典乌普萨拉大学的化学家莱夫·哈马斯特罗姆（Leif Hammarstr?m）作为同行，高度评价了诺塞拉等人的研究成果：“利用非工业生产方法合成氨，在化学上是一项重大挑战，他们的方法非常好，甚至可以让世界上许多的穷人受益。”哈马斯特罗姆主要研究利用太阳能来制造燃料。

据诺塞拉表示，哈佛已将新技术的知识产权许可给印度孟买的化学技术研究所，该公司正在将该技术进行全球化商业推广。