مهندسی گیاهان چیست؟

خبر خوب برای آنهایی که از گرم شدن سریع سیاره مان نگران و مأیوس شده اند این است که با استفاده از مدیریت کردن گیاهان می توان به مبارزه با اثرات تغییرات آب و هوایی کمک کرد. دانشمندان دو راه برای ایجاد گیاهانی که برای تبدیل دی اکسید کربن به انرژی بهتر عمل می کنند، پیدا کرده اند. این روش ها می تواند به تولید سوخت های زیستی بهتر، مواد غذایی بیشتر و مقابله با تغییرات آب و هوایی و در نتیجه نجات جهان کمک کند. 
دو مطالعه که در مجله  Science منتشر شده نشان می دهد با تقویت فرایندهایی که طی آنها گیاهان انرژی تولید می کنند -تثبیت کربن یا فتوسنتز می توان آینده بهتری را رقم زد. در یکی از این تحقیقات، دانشمندان می گویند که می خواهند کل فرآیند تثبیت کربن (فتوسنتز) که فرآیندی بسیار آهسته و کند است در چرخه ای جدید و سریع انجام شود. در مطالعه دیگر، محققان گیاهان را به گونه ای مهندسی کرده اند که بتوانند نور خورشید بیشتری را جذب کنند. این گیاهان تقویت شده تا 20 درصد بیشتر رشد می کنند، که همین ذخیره ای بزرگ برای تأمین مواد غذایی است.
 
مطالعه اول
دانشمندان یک سیستم فتوسنتز کاملاً جدید ساختند
گیاهان، دسته ای از بهترین متحدان ما برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی هستند. گرم شدن زمین به خاطر وجود مقدار زیاد دی اکسید کربن داخل اتمسفر است. ما از طریق فعالیت هایی مانند سوزاندن سوخت های فسیلی به منظور تولید انرژی، میزان دی اکسید کربن هوا را افزایش می دهیم. از آن جایی که که گیاهان به طور کلی دی اکسید کربن را جذب می کنند، مقداری از دی اکسید کربن اضافی هوا را نیز جذب می کنند و زمان بیشتری را برای مقابله با گرم شدن زمین به انسان ها می دهند. اما فتوسنتز هنوز کارایی لازم را ندارد بنابراین دانشمندان در حال آموزش گیاهان هستند تا کارشان را بهترانجام دهند و زندگی آسان تر شود. در این روش ممکن است مزایای دیگری به جز جذب کرین دی اکسید هم حاصل شود از جمله: رشد بهتر گیاهان برای تولید غذای بیشتر برای جمعیت های در حال ازدیاد انسانی.
برای این که تثبیت کربن اتفاق بیفتد، موجودات زنده از مولکول هایی به نام آنزیم استفاده می کنند. زیست شناسی به نام توبیاس ارب می گوید که آنزیم اصلی این فرآیند بسیار آهسته فعالیت می کند. این زیست شناس و گروهش تصمیم گرفتند راهی برای افزایش سرعت این فرآیند طراحی کنند. این گروه تحقیقاتی، سال ها بر روی ترکیب آنزیم ها با هدف انجام فعالیت و تثبیت کربن کار کردند و در نهایت ترکیبی از 17 آنزیم به دست آوردند. این آنزیم ها از 9 موجود زنده (از جمله باکتری های e. coli و کبد انسان) گرفته شده بود. سه عدد از آنزیم ها با استفاده از رایانه طراحی شدند که نشان می دهد چقدر تعادل مهم و دقیق است. هنگامی که این آنزیم ها با هم ترکیب شوند، می توانند بهتر از گیاهان و دیگر موجودات دی اکسید کربن را به ترکیبات آلی، تبدیل کنند.
این کار در مراحل بسیار اولیه است -زیرا این آزمایشات در داخل لوله های آزمایش انجام شده و در محیط واقعی انجام نگرفته است. به دلیل  یکسان بودن چرخه فتوسنتز، از نظر تئوری باید آزمایش روی تمام موجودات زنده جواب دهد اما در عمل، همه چیز باید با فوت و فن لازم انجام شود. ارب می گوید: «به نظر می رسد این فرآیند شبیه پیوند قلب باشد. هنگامی که شما پیوند قلب انجام می دهید، ابتدا باید سیستم ایمنی بدن را سرکوب کنید به طوری که بدن، عضو جدید را رد نکند. ارب و گروه تحقیقاتی اش، برای انتقال این فرآیند به گیاهان، همه فرآیند های گیاه از قبیل سوخت و ساز را به منظور اطمینان یافتن از نتیجه درست، به همدیگر مربوط کردند.
به این ترتیب دانشمندان در حال طراحی یک مسیر کاملاً جدیدند.
گیاهان بسیار پیچیده اند، بنابراین گروه تحقیقاتی ارب برای اولین بار روی تثبیت کربن در جلبک ها و باکتری ها تمرکز کردند. ارب می گوید که نخستین ایده، ایجاد هر نوع ترکیبی از دی اکسید کربن از قبیل ساخت سوخت های زیستی کارآمدتر و یا واحدهای ساختمانی مواد دارویی شیمیایی است.
 
مطالعه دوم
کریشنا نیوگی زیست شناس نیز مطالعه دوم را در زمینه فتوسنتز انجام داده است. نیوگی می گوید: «به جای ایجاد یک فرآیند فتوسنتز کاملاً جدید، شما می توانید با کارآمدتر کردن فرآیندهای انرژی موجود در گیاهان راه میانبری بسازید.»
این گروه در حال حاضر در تلاش اند محصولات کشاورزی مانند برنج و ذرت خوشه ای را افزایش دهند.
نیوگی می گوید که گیاهان نیاز به نور خورشید دارند اما میزان نیاز هر کدام از آنها متفاوت است، بنابراین، وقتی تابش بیش از حد خورشید انجام می شود سبب فرونشاندن مقداری از سبزینه (کلروفیل) گیاه که نور را جذب می کند، می شود و گیاه مقداری از کلروفیل اش را از دست می دهد اما زمانی که یک گیاه این گونه عمل می کند، مدت زمان بیشتری نیاز دارد تا سطح معمول جذب را تأمین کند بنابراین رشدش کند می شود و گیاه دیگر برای پیش بردن بیشتر این سازوکار عمل نمی کند. بنابراین این گروه فرایند بازیابی راهدف قرار دادند تا بتوانند به گیاهان کمک کنند که تا جایی که می توانند برای رشد بیشتر نور بیشتری جذب کنند.
همه گیاهان، سه نوع پروتئین خاص برای تنظیم بازیابی پس از خاموش شدن  کلروفیل خود دارند. گروه تحقیقاتی نیوگی تعداد بیشتری از این پروتئین ها را به گیاه توتون اضافه کردند. در این روش، گیاهان زمانی که نور خورشید زیادی دریافت می کردند، بازهم نور کمتری را جذب می کردند اما برگشت شان به سطح معمولی خود برای جذب نور با سرعت بیشتری صورت می گرفت.
در مقایسه با گیاهانی که مهندسی نشده اند، این انواع جدید در هر نقطه از 14 درصد تا 20 درصد افزایش رشد داشته است. سازمان ملل متحد می گوید: «ما نیاز داریم که تا سال 2050 میلادی 70 درصد مواد غذایی بیشتری تولید کنیم تا همه غذا داشته باشند و تغییرات آب و هوایی احتمالاً باعث کمبود مواد غذایی می شود.  با سازگار کردن این روش می توان کمکی به تولید مواد غذایی بیشتر، بدون نیاز به زمین بیشتر انجام داد.
نخستین آزمایشات بر روی گیاه توتون به دلیل آسان بودن انجام تغییرات روی این گیاه انجام می گیرد. به دلیل قابل مصرف نبودن گیاه توتون، اکنون تیم تحقیقاتی نیوگی، بر روی محصولات کشاورزی همانند: برنج، ذرت خوشه ای و نشاسته کار می کند.