Pivot Bio využívá mikrobiální dusík pro udržitelnější zemědělství

Haber-Boschova metoda, která přeměňuje atmosférický dusík na amoniakové hnojivo, sice zrevolutionovala zemědělství a pomohla nakrmit rostoucí světovou populaci, ale zároveň vytvořila obrovské environmentální problémy. Jedná se o jeden z nejenergeticky náročnějších chemických procesů na světě, zodpovědný za 1-2 % globální spotřeby energie. Také uvolňuje oxid dusný, silný skleníkový plyn, který poškozuje ozonovou vrstvu. Přebytečný dusík navíc pravidelně stéká z farem do vodních toků, poškozuje mořský život a znečišťuje podzemní vodu.

Místo syntetických hnojiv společnost Pivot Bio vyvinula mikroby produkující dusík, aby zemědělství bylo udržitelnější. Společnost, kterou spoluzaložili profesor Chris Voigt, Karsten Temme a Alvin Tamsir, vyvinula mikroby, které rostou na kořenech rostlin, kde se živí cukry z kořenů a na oplátku přesně dodávají dusík.

Mikrobiální kolonie Pivotu rostou s rostlinou a produkují více dusíku přesně v okamžiku, kdy ho rostlina potřebuje, čímž se minimalizuje odtok dusíku.

„Způsob, jakým jsme historicky dodávali živiny pro podporu růstu rostlin, byla hnojiva, ale to je neefektivní způsob, jak získat všechny potřebné živiny,“ říká Temme, hlavní inovační ředitel Pivotu. „Nyní máme možnost pomoci zemědělcům být efektivnější a produktivnější s pomocí mikroorganismů.“

Zemědělci mohou nahradit až 40 liber na akr tradičního dusíku produktem Pivotu, což představuje přibližně čtvrtinu celkového množství dusíku potřebného pro plodinu jako je kukuřice.

Produkty Pivotu se již používají k pěstování kukuřice, pšenice, ječmene, ovsa a dalších obilovin na milionech akrů americké zemědělské půdy, čímž se eliminují stovky tisíc tun ekvivalentu CO2. Dopad společnosti je ještě výraznější vzhledem k jejím nepravděpodobným počátkům, které sahají až k jednomu z nejobtížnějších období v kariéře Voigta.

Obrat z beznaděje

Začátek kariéry každého člena fakulty může být okamžikem, kdy se buď utopí, nebo se drží nad vodou, a podle Voigtova vlastního vyjádření se topil. Jako čerstvě jmenovaný asistent profesora na Kalifornské univerzitě v San Francisku se Voigt snažil postavit svou laboratoř, získat finance a spustit experimenty.

Kolem roku 2008 se Voigt připojil k výzkumné skupině z Kalifornské univerzity v Berkeley, která psala návrh grantu zaměřený na fotovoltaické materiály. Jeho počáteční role byla vedlejší, ale jeden z vedoucích výzkumníků z týmu odstoupil týden předtím, než musel být návrh předložen, takže Voigt nastoupil.

„Řekl jsem: ‚Tu část dokončím za týden,‘“ vzpomíná Voigt. „To byla moje velká šance.“

V návrhu Voigt podrobně popsal ambiciózní plán na přeuspořádání genetiky biologických fotosyntetických systémů, aby se zvýšila jejich účinnost. Stěží ho včas odevzdal.

Uběhlo pár měsíců a konečně přišla hodnocení návrhu. Voigt spěchal na schůzku s některými z nejvýznamnějších výzkumníků v UC Berkeley, aby prodiskutovali odpovědi.

„Moje část návrhu byla zdecimovaná,“ říká Voigt. „Bylo na ni něco jako 15 recenzí – byly delší než samotný grant – a je to jedna za druhou, která roztrhává můj návrh. Na této schůzce jsou všichni nejznámější lidé, budoucí ministři energetiky, budoucí vedoucí univerzity, a bylo to úplně trapné. Po této schůzce jsem uvažoval o odchodu z akademické sféry.“

O několik měsíců později, kdy se zdálo, že se Voigt ocitl na dně, dostal telefonát od Paula Luddena, děkana fakulty věd na UC Berkeley. Chtěl si s ním promluvit.

„Jak vcházím do Paulovy kanceláře, čte můj návrh,“ vzpomíná Voigt. „Posadí mě a řekne: ‚Všichni mi říkají, jak hrozný to je.‘ Myslím si: ‚Ó můj Bože.‘ Ale pak říká: ‚Myslím, že v tom něco je. Váš nápad je dobrý, jen jste si vybral špatný systém.‘“

Ludden Voigtovi vysvětlil, že by měl aplikovat svůj nápad na výměnu genů na fixaci dusíku. Dokonce nabídl, že Voigtovi pošle postdoktoranda ze své laboratoře, Dehua Zhao, aby mu pomohl. Voigt spároval Zhaoa s Temmem, a skutečně, výsledná práce z roku 2011 byla komunitou zabývající se fixací dusíku dobře přijata.

„Fixace dusíku je pro vědce, agronomy a zemědělce už téměř století svatým grálem, od té doby, co někdo objevil první mikroorganismus, který dokáže fixovat dusík pro luštěniny, jako je sója,“ říká Temme. „Všichni vždycky říkali, že jednoho dne to budeme umět i pro obilniny. Nadšení s Pivotam bylo v tom, že tato technologie se poprvé stala dostupnou.“

Voigt se v roce 2010 přestěhoval na MIT. Když vyšla publikace, založil s Temmem a dalším výzkumníkem z Berkeley, Alvinem Tamsirem, společnost Pivot Bio. Od té doby Voigt, který je profesorem Daniela I. C. Wanga na MIT a vedoucím katedry biologického inženýrství, pokračuje ve spolupráci s Pivotam na věcech, jako je zvyšování produkce dusíku, zvyšování stability kmenů a jejich činnost řízená různými signály z rostliny. Pivot získal licenci na technologii od MIT a výzkum také obdržel podporu od laboratoře Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) na MIT.

Prvními cíli Pivotu bylo získat schválení regulačních orgánů a dokázat se na trhu. Aby získal schválení v USA, zaměřil se tým Pivotu na použití DNA ze stejného organismu, namísto zavedení zcela nové DNA, což zjednodušilo proces schvalování. Také spolupracoval s nezávislými prodejci kukuřičných semen, aby se jeho produkt dostal na farmy. První nasazení proběhlo v roce 2019.

Zemědělci aplikují produkt Pivotu při výsadbě, ať už jako kapalinu, která se nastříká na půdu, nebo jako suchý prášek, který se rehydratuje a aplikuje na semena jako povlak. Mikroby žijí na povrchu rostoucího kořenového systému, živí se cukry rostliny a uvolňují dusík po celý životní cyklus rostliny.

„Dnes naše mikroby kolonizují jen zlomek celkového množství cukrů dodávaných rostlinou,“ vysvětluje Temme. „Také sdílí amoniak s rostlinou a všechny tyto věci jsou jen částí toho, co je technicky možné. Náš tým se neustále snaží zjistit, jak učinit tyto mikroby efektivnějšími při získávání energie, kterou potřebují k růstu, nebo při fixaci dusíku a sdílení s plodinou.“

V roce 2023 Pivot zahájil program N-Ovator, aby spojil společnosti s pěstiteli, kteří praktikují udržitelné zemědělství s použitím mikrobiálního dusíku Pivotu. Prostřednictvím programu si společnosti kupují kredity na dusík a zemědělci mohou být placeni za ověření svých postupů. Program byl loni časopisem Time zařazen mezi Vynálezy roku a dosud vyplácel zemědělcům miliony dolarů.

Mikrobiální dusík a další

Pivot v současné době prodává zemědělcům v USA a spolupracuje s drobnými zemědělci v Keni. Také doufá, že získá schválení pro své mikrobiální řešení v Brazílii a Kanadě, které doufá, že se stanou jeho dalšími trhy.

„Jak zajistit, aby ekonomika dávala smysl pro všechny – zemědělce, naše partnery a společnost?“ říká Temme o poslání Pivotu. „Protože to skutečně může být deflační technologie, která převrátí velmi drahý tradiční způsob výroby hnojiv.“

Tým Pivotu také rozšiřuje produkt na bavlnu a Temme říká, že mikroby mohou být zdrojem dusíku pro jakýkoli typ rostlin na planetě. V budoucnu společnost věří, že může pomoci zemědělcům s dalšími živinami, které jsou nezbytné pro růst jejich plodin.

„Nyní, když jsme si svou technologii ověřili, jak může Pivot pomoci zemědělcům překonat všechna další omezení, která jim brání v maximálním výnosu plodin?“ ptá se Temme. „To skutečně začne měnit způsob, jakým zemědělec přemýšlí o řízení celého akru z hlediska ceny, produktivity a udržitelnosti.“