A medida que la población mundial aumenta hacia los 10 mil millones, el planeta se encamina hacia una escasez de alimentos, con algunas estimaciones que dicen que la oferta tendrá que duplicarse para 2050 para satisfacer la demanda.

El continuo avance de la tecnología agrícola (modificación genética junto con nuevas variedades de cultivos y técnicas de manejo de la tierra) cubrirá parte del aumento de la demanda. Pero tales tecnologías requerirán un aumento dramático en la producción de fertilizantes agrícolas, un proceso de uso intensivo de energía alimentado por combustibles fósiles y que depende de una infraestructura de fabricación robusta:fábricas conectadas a las redes ferroviarias y de carreteras para su distribución.

El problema con este escenario es que gran parte de la demanda estará en el mundo en desarrollo, a menudo en regiones que carecen tanto de fábricas como de redes de distribución de productos químicos agrícolas.

En respuesta, Los científicos de Harvard se preguntan:¿y si el suelo pudiera enriquecerse, a través de microbios que aumentan el rendimiento de los cultivos? ¿Y si esos microbios se cultivaran de forma sostenible? en compacto, biorreactores alimentados con luz solar?

La becaria postdoctoral Kelsey Sakimoto del Centro para el Medio Ambiente de la Universidad de Harvard está trabajando con el químico Daniel Nocera y la bióloga sintética Pamela Silver para ajustar la "hoja biónica" de Nocera y Silver para ayudar a forjar una nueva era de agricultura distribuida. beneficioso incluso para los agricultores de subsistencia lejos de las redes de distribución de la agricultura industrial y los suministros de fertilizantes químicos.

La hoja biónica es una consecuencia de la hoja artificial de Nocera, que divide de manera eficiente el agua en hidrógeno y oxígeno gaseoso al combinar silicio, el material que forma los paneles solares, con revestimientos catalíticos. El gas hidrógeno se puede almacenar en el sitio y utilizar para impulsar pilas de combustible, proporcionando una forma de almacenar y utilizar la energía que se origina en el sol.

Después de desarrollar la hoja artificial, Nocera, el Profesor Patterson Rockwood de Energía en el Departamento de Química y Biología Química, se asoció con Silver, el profesor Elliott T. y Onie H. Adams de Bioquímica y Biología de Sistemas en la Facultad de Medicina de Harvard, para explorar nuevos usos de la tecnología. Fusionar la hoja artificial con bacterias genéticamente modificadas que se alimentan de gas hidrógeno, la pareja produjo la "hoja biónica, "que crea combustibles líquidos como el isobutanol.

La investigación de Sakimoto, realizado con Nocera, Plata, becario postdoctoral Chong Liu, y el estudiante de doctorado Brendan Colon, fue descrito en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias en junio. El método del equipo implica que la bacteria del suelo Xanthobacter autotrophicus consume hidrógeno generado por la reacción de división del agua de la hoja biónica y toma nitrógeno de la atmósfera para producir amoníaco y fósforo. Ambos fertilizantes potentes.

El trabajo de Sakimoto "ha llevado la hoja biónica a un nuevo nivel, ", Dijo Silver." Kelsey tiene un buen ojo para los proyectos de alto impacto y ciertamente ha logrado un trabajo importante aquí ".

Hay dos formas de aplicar el nuevo sistema. La primera es simplemente dejar que las bacterias se alimenten y se reproduzcan, lo que produce un líquido amarillento cargado de bacterias que se puede rociar en los campos. En experimentos de invernadero en el Arnold Arboretum, los rábanos cultivados con fertilizante de X. autotrophicus terminaron duplicando el tamaño de los rábanos de control cultivados sin fertilizante agregado.

"Sorprendentemente, es un [fertilizante] bastante potente, "Dijo Sakimoto." Se cultiva de manera muy simple y se aplica de manera muy simple ".

El otro método es agregar un compuesto que haga que las bacterias secreten amoníaco directamente, que luego pueden usarse de manera similar a los fertilizantes químicos convencionales.

Sakimoto dijo que el uso inicial del proyecto, que está siendo ampliado por colaboradores de ingeniería química en la India, sería proporcionar fertilizantes para pequeñas granjas y comunidades rurales remotas sin la necesidad de un gran, infraestructura centralizada.

A tiempo, él dijo, la capacidad de generar amoniaco directamente puede resultar atractiva para las empresas de productos químicos agrícolas como una mejora del método predominante, conocido como el proceso Haber-Bosch, que fue desarrollado por dos químicos alemanes a principios del siglo XX como una forma de convertir el nitrógeno atmosférico en amoníaco. El proceso depende en gran medida de la energía basada en fósiles, tanto como el 1 por ciento de la producción mundial.

"Lo que más me entusiasma de la investigación es:hicimos lo que hacemos en el mundo desarrollado con una infraestructura masiva, solo sin necesidad de infraestructura, "Dijo Nocera." Puedes usar solo la luz del sol, aire, y agua, y puedes hacerlo en tu patio trasero. Puede ocuparse de la creciente demanda mundial de alimentos [con tecnología convencional]; todo lo que tiene que hacer es construir más plantas Haber-Bosch de gran tamaño. Y hay que construir ferrocarriles y sistemas completos de distribución. Y eso no afectará a los pobres del mundo en desarrollo, de donde proviene la mayor parte del crecimiento de la población ".

Sakimoto, en el segundo año de su beca ambiental Ziff de dos años, ahora está explorando cómo hacer que el sistema sea más robusto en condiciones del mundo real, por ejemplo, cómo el uso de aguas residuales y otras fuentes de agua de origen natural en el biorreactor afecta su rendimiento.

"Intentamos hacer toda la diligencia debida posible para hacer un producto útil, ", Dijo Sakimoto." Hemos terminado más o menos en el lado [del descubrimiento] ahora, y analizando el lado político y práctico de cómo traer una nueva tecnología al mundo ".