Gıda Bitkileri Karanlıkta Büyüyebilir Mi?

Bilim kurgu hikayeleri, geleceğin insanlarının Mars’taki yeraltı şehirlerinde, oyulmuş asteroitlerde ve güneşten uzakta serbest yüzen uzay istasyonlarında yaşadığını hayal etti. Ancak insanlar bu zorlu ve yabancı ortamlardan herhangi birinde hayatta kalacaklarsa, sınırlı kaynakları kullanarak yiyecek yetiştirmenin yollarına ihtiyaç duyacaklar ve bitkilerin güneş ışığını şekere dönüştürdüğü çılgınca başarılı ancak enerji açısından verimsiz bir süreç olan fotosentez onu kesmeyebilir.

Şimdi, bazı bilim insanları fotosentezi tamamen atlayarak ve karanlıkta bitki yetiştirerek daha verimli yiyecek üretmenin mümkün olup olmadığını merak ediyorlar.

Fikir, Mars’taki şehirler kadar bilim kurgu gibi geliyor. Ancak bir araştırma ekibi, Haziran ayında Nature Food’da yayınlanan bir çalışma ile bunu gerçekleştirme yolunda ilk adımı attı. Araştırma; karanlıkta yosun, yenilebilir maya ve mantar üreten mantarları, bitkilerden kaynaklanmayan, bunun yerine güneş elektriği kullanılarak üretilen asetat adı verilen karbon bazlı bir bileşikle besleyerek büyütmenin mümkün olduğunu gösteriyor. Bilim insanları, bir tür “yapay fotosentez” olan bu yöntemin, geleneksel tarıma göre daha az fiziksel alan ve enerji kullanarak gıda üretmenin yeni yollarını açabileceğinden umutlular – belki de karanlıkta yetişebilen mahsuller de dahil.

Diğer uzmanlar, bitki biyolojisini bu kadar radikal bir şekilde yeniden tasarlamanın mümkün olabileceğinden şüphe duysalar da, araştırmacıların icat ettiği teknoloji ve ekibin gıda üretimini nasıl daha verimli hale getirebileceğine dair sıradışı fikirleri onları heyecanlandırıyor.

Delaware Üniversitesi’nde kimya ve biyo-moleküler mühendislik profesörü olan ortak yazar Feng Jiao, “Bitkileri daha verimli yetiştirmenin yollarını bulmalıyız” diyor. “Hangi çözüm en iyisi? Bence bilimin güzelliği, tüm olasılıkları keşfetmemizdir.”

Doğadan Daha Verimli

Deniz tabanındaki çatlaklardan fışkıran hidrojen sülfitin kimyasal enerjisiyle sürdürülen derin deniz kaplıcaları gibi birkaç aşırı ortam dışında, Dünya üzerindeki tüm yaşam güneş tarafından beslenir. Kaplanlar ve köpekbalıkları gibi uç yırtıcılar bile bitkilere ve okyanuslardaki minik yeşil alglere kadar uzanan karmaşık besin ağlarının bir parçasıdır. Bu sözde birincil üreticiler biyolojik bir süper güce sahiptir: Güneş ışığından güç alan bir biyokimyasal süreç olan fotosentez yoluyla karbondioksitten organik karbon yaratma yeteneği. Ancak fotosentez, bildiğimiz şekliyle yaşam için gerekli olsa da, çok verimli değildir. Bitkilerin üzerine düşen güneş ışığının yalnızca yaklaşık yüzde biri gerçekten yakalanır ve organik karbon yapmak için kullanılır. Bu verimsizlik, insanlar mümkün olduğunca az kaynak kullanarak yiyecek üretmenin hayati olacağı uzayda kendi kendini idame ettiren bir varlık oluşturmak isterse, bir zorluk teşkil edecektir. 

Aynı zamanda, aynı topraktan daha fazla kalori çıkarmak için çiftçilere baskı yapan insan nüfusu arttıkça, bugün Dünya’da da bir sorun haline geldi.

Bazı bilim insanları, çözümün; bitkileri daha verimli bir şekilde fotosentez yapmak için genetik olarak tasarlamak olduğuna inanıyor. Yeni çalışmanın arkasındaki araştırmacılar daha sıra dışı bir şey öneriyorlar: Biyolojik fotosentezi, güneş ışığını yiyeceğe dönüştürmek için kısmen yapay bir süreçle değiştirmek. İşlemleri, yıllardır var olan ve güneş ışığını, suyu ve CO2’yi sıvı yakıtlara ve format, metanol ve hidrojen gibi kimyasallara dönüştürmek için çeşitli yaklaşımları kapsayan bir terim olan yapay fotosentezin bir versiyonudur. Yeni çalışmanın arkasındaki araştırmacılar, çalışmalarının, yapay bir fotosentez sisteminin ortak gıda üreten organizmalar yetiştirme girişimi ile ilk kez eşleştirildiğini temsil ettiğini söylüyor.

Sistemleri elektrolize veya elektrolizör adı verilen bir cihaz içindeki kimyasal reaksiyonları yürütmek için bir elektrik akımı kullanmaya dayanır. Son çalışmalarında araştırmacılar, karbondioksit ve suyu basit bir karbon bazlı bileşik olan oksijen ve asetata dönüştüren iki aşamalı, güneş enerjisiyle çalışan bir elektrolizör sistemi yarattılar.

Yazarlar daha sonra bu asetatı fotosentetik bir yeşil alg olan Chlamydomonas reinhardtii’ye verdi. Ayrıca besinsel mayaya ve mantar üreten mantarlara da asetat beslediler – bunlar kendi kendilerine fotosentez yapmazlar ancak büyümek için genellikle bitkiler tarafından yapılan organik karbona ihtiyaç duyarlar.

Bu organizmaların tümü, asetatı alıp karanlıkta -güneş ışığından veya fotosentetik olarak türetilen karbondan bağımsız olarak- büyüyebildi.

Fotosentez ile karşılaştırıldığında, süreç şaşırtıcı derecede verimliydi. Yapay fotosentez kullanan yeşil algler, güneş enerjisini biyokütleye, ekinlerin biyolojik fotosentez kullanarak yaptıklarından yaklaşık dört kat daha verimli bir şekilde dönüştürebilir. Bu süreç kullanılarak yetiştirilen maya, ekinlerden neredeyse 18 kat daha fazla enerji verimliydi.

Jiao, “Doğanın yollarına karşı yapay yolları kullanmanın en önemli avantajlarından biri bu” diyor.

Karanlıkta Ürün Yetiştirmek Mi?

Bilim insanları, C. reinhardtii yosununun karanlıkta asetat üzerinde büyüyebileceğini zaten biliyorlardı – organizma bir miksotroftur, yani kendi besinini fotosentetik olarak yapmak veya diğer bitkiler tarafından üretilen organik karbonu yemek arasında gidip gelebilir. Ancak Riverside’daki California Üniversitesi’nden kıdemli araştırma yazarı Robert Jinkerson’a göre, bu, C. reinhardtii’nin eski fotosentezin fosil kalıntıları olan yakın tarihli fotosentezden veya petrol ürünlerinden gelmeyen asetat üzerinde ilk kez yetiştirilmesiydi.

Jinkerson, “Bu, algler veya bir bitki gibi herhangi bir fotosentetik organizmanın, evrimleşmesinden bu yana fotosentezden bağımsız olarak büyüdüğü ilk sefer” diyor.

Fotosentez olmadan alg yetiştiren araştırmacılar daha zor bir soruya yöneldiler: Ekin bitkileri de yetiştirebilirler mi?

İlk sonuçları cesaret vericiydi. Karanlıkta, araştırmacılar marul dokusunu asetat içeren sıvı bir süspansiyon içinde büyüterek, dışarıdan sağlanan bir karbon kaynağını alıp metabolize edebildiğini doğruladılar.

Ve bütün marul bitkilerini ışıkta büyüttüklerinde (pirinç, kanola, domates ve diğer bazı ekin türlerinin yanı sıra) ancak onları ek asetatla beslediklerinde, bitkilerin dokularına asetat kattığını gördüler. Karbon-13 olarak adlandırılan ağır bir karbon izotopu ile işaretlenmiş asetat, hem aminoasitlerde hem de şekerlerde izlenebilir. Bu da bitkilerin çeşitli metabolik süreçleri desteklemek için kullanabileceğini düşündürür.

Bununla birlikte, çalışma; tüm bitkilerin güneş ışığına erişmeden tamamen asetat üzerinde yetiştirilebileceğini göstermedi – aslında, araştırmacıların marulla yaptığı deneyler, çok fazla asetatın aslında bitki büyümesini engellediğini gösterdi. Jinkerson, laboratuvarının şu anda asetata karşı daha toleranslı olacak şekilde genetik mühendisliği ve yetiştirme bitkileri üzerinde çalıştığını söylüyor. Bu, ekibin yapay fotosentez yönteminin bitki büyümesini ve gıda üretimini önemli ölçüde desteklemesi için gerekli olacaktır.

Breakthrough Institute’ta gıda ve tarım analisti olan Emma Kovak, yazarların sonuçlarının “iç mekan üretimi için bitkileri beslemeye yardımcı olmak için potansiyel olarak asetat kullanımına yönelik ilk adımı” temsil ettiğini söylüyor. Bu, yetiştiricilerin iç mekan ışık seviyelerini düşürmesine izin verirse, iç mekan çiftliklerini çalıştırmak için gereken enerjiyi azaltabilir. Ancak Kovak, bitkilerin düşük ışık koşullarında bile asetat kullanarak sağlam bir şekilde büyümesini sağlamak için “büyük ilerleme gerekli olacaktır” diyor.

Berkeley’deki California Üniversitesi’nde sentetik biyoloji alanında doktora adayı olan Evan Groover, araştırmaları fotosentezi iyileştirmek için genetik mühendislik bitkilerine odaklanıyor. Groover, “Çalışma, bitkilerin asetat alabildiğini gösteriyor ancak bu, onların gerçekten başarılı olabildiklerinin veya gıda, yakıt veya ilacı anlamlı bir şekilde sentezleyebildiklerinin kanıtı değil” diyor. İkincisini başarmanın, “tesislerin tamamen yeniden programlanmasını” gerektireceğini söylüyor.

Aynı zamanda Groover, yazarların makalesini “canlandırıcı” bulduğunu söylüyor.

“Bize garip, karasal olmayan ortamlarda veya geleneksel tarım yapamayacağınız ortamlarda ışığı ve karbonu yakalayabileceğimiz yolları gösteriyor” diyor.

Derin Uzay İçin Yiyecek

Dünya dışı bir ortam, araştırmacıların teknolojisinin ilk uygulandığı yer olabilir. Araştırmacılar, yapay fotosentez konseptlerini NASA’nın, uzun vadeli uzay görevlerinde astronotları beslemek için yenilikçi fikirlere sahip gruplara para ödülü ve ödül veren Deep Space Food Challenge’a sundular. Geçen sonbaharda, ekibin konsepti ABD merkezli 18 Faz 1 kazananından biri seçildi. 2. Aşamada, bu ekiplerin gerçekten yiyecek üreten bir prototip oluşturmaları gerekiyor. Kazananlar gelecek yıl açıklanacak.

Yarışmayı kazanmak, yeni bir gıda üretim teknolojisinin gelecekteki bir uzay görevinde uçacağını garanti etmez. NASA’nın Ames Araştırma Merkezi’nde yeni çalışmaya dahil olmayan kıdemli bir araştırma bilimcisi olan Lynn Rothschild, önce birçok teknik detayın üzerinde çalışılması gerektiğini söylüyor. Ağırlık önemli bir husustur ve yapay fotosentez muhtemelen ek güneş panelleri ve elektrolizörler de dahil olmak üzere yeni ekipmanların uzaya taşınmasını gerektirecektir.

Ancak Rothschild, fotosentez gibi temel bir biyolojik süreci yeniden tasarlamaya yönelik herhangi bir çabanın uzayda veya Dünya’da nasıl uygulanabileceği konusunda açık fikirli olmaya değer olduğunu söylüyor: “Ödülünü henüz hayal etmediğimiz bir şey olabilir.” ^[1]Can food crops grow in the dark? Scientists are working out how.

[cite]