Rekayasa mikroba tanah untuk memfiksasi nitrogen di atmosfer dan mengurangi penggunaan pupuk sintetis pada tanaman serealia adalah a ruang panas di ag biologis. Namun untuk benar-benar memenuhi janjinya, serangga pengikat nitrogen perlu meningkatkan kemampuannya, kata Michael Miile, PhD.
Produk gelombang pertama (dari Corteva Dan Biografi Poros) telah ada di pasar selama tiga atau empat tahun, namun ada tantangan teknis utama yang dihadapi semua pemain di bidang ini jika mereka ingin memberikan dampak transformatif, kata Miille, yang menjadi CEO perusahaan patungan yang dipimpin Bayer/Ginkgo Bioworks, Joyn Bio pada tahun 2017 dan sekarang mengepalai tim ag bio Ginkgo.
Pada tahun 2022, Ginkgo menyerap Joyn Bio setelah mengambil alih fungsi penelitian dan pengembangan Bayer untuk biologi dan laboratoriumnya di West Sacramento, California, sehingga Bayer harus fokus pada komersialisasi produk yang dihasilkan dari kemitraan tersebut, yang telah baru saja diperbarui.
Untuk memberikan dampak yang besar pada tanaman serealia, idealnya Anda menginginkan mikroba yang dapat diaplikasikan sebagai pelapis benih dengan umur simpan dua atau bahkan tiga tahun (bukan dua bulan, seperti yang dijanjikan beberapa penawaran saat ini) dengan tingkat kemanjuran yang lebih tinggi di berbagai jenis tanah, wilayah, dan tanaman, kata Miile Berita AgFunder.
“Belum ada yang menemukan solusi yang secara konsisten dapat menggantikan 30% atau 40% pupuk sintetis. Target ini selalu menjadi target kami, sejak kami masih menjadi Joyn Bio,” tambahnya.
Cara kerja mikroba pengikat nitrogen
Kacang-kacangan seperti kacang polong dan kedelai mempunyai hubungan simbiosis dengan mikroba tanah alami. Ini menjajah akar tanaman dan membentuk bintil-bintil yang mengikat nitrogen di atmosfer dan menghasilkan enzim (nitrogenase) yang mengubahnya menjadi amonia, yang berfungsi sebagai pupuk alami.
Hal ini menawarkan efisiensi penggunaan nitrogen yang lebih besar dibandingkan pupuk yang diterapkan pada tanaman karena mikroba mengantarkan nitrogen langsung ke akar selaras dengan kebutuhan tanaman, sehingga mengurangi kerugian pencucian, limpasan dan penguapan. Pasokan nitrogen yang berkelanjutan juga membantu mempertahankan hasil panen ketika nitrogen sintetis kurang tersedia.
Perusahaan di ag biologis arena adalah rekayasa mikroba untuk melakukan tugas yang sama pada tanaman sereal seperti jagung dan gandum, yang tidak mengikat nitrogen secara alami, dan sebagai hasilnya, menggunakan lebih banyak pupuk sintetis, jelas Miles.
“Sekitar dua pertiga penggunaan nitrogen pada tanaman jagung terjadi pada sepertiga terakhir (siklus) pertumbuhannya. Para petani menghadapi tantangan untuk memasukkan nitrogen ke lahan pada awal musim, namun saat nitrogen mencapai sepertiga terakhir siklus, sebagian besar sudah habis, tersapu (tersapu oleh air hujan atau irigasi) atau diencerkan (misalnya karena hujan lebat), pada saat paling dibutuhkan.
“Hal ini menjelaskan mengapa tingkat nitrogen yang dihasilkan sangat tinggi, sehingga cukup untuk sepertiga terakhir. Jika kita menemukan mikroba yang benar-benar dapat hidup dan mentransfer nitrogen sepanjang musim pertumbuhan, jelas hal ini akan sangat berdampak pada jumlah pupuk sintetis yang harus digunakan oleh petani di awal musim.”
Tantangan teknis
Tantangannya, kata Miile, adalah menghasilkan produk yang tahan simpan dan dapat diaplikasikan sebagai pelapis benih dengan umur simpan yang lama.
“Anda dapat menerapkan hal-hal ini di dalam alur atau sebagai perawatan daun, namun untuk mendapatkan dampak yang besar, baik terhadap lingkungan maupun dari segi biaya, Anda benar-benar harus memiliki perawatan benih yang stabil untuk jangka waktu yang lama.”
Sementara itu, serangga tersebut harus berkembang biak, mengkolonisasi akar tanaman, dan bertahan cukup lama untuk memasok nitrogen ke tanaman sepanjang siklus pertumbuhan, katanya. Hal ini mungkin terjadi di laboratorium, namun hal yang berbeda terjadi di dunia nyata di mana mikroba tanah asli dapat mengalahkan mereka dengan sangat cepat.
Selain itu, mereka harus mampu mentransfer nitrogen secara efisien ke tanaman, dan bekerja di berbagai jenis tanah, iklim, dan genotipe tanaman, tambahnya.
“Itulah mengapa standar untuk mengevaluasi semua produk ini adalah uji coba lapangan. Kadang-kadang, ketika Anda pergi ke lapangan dengan semua variabel lingkungannya, produk tersebut mungkin tidak berfungsi dengan baik, atau bekerja di area tertentu dan tidak di area lain. Tantangan dalam solusi biologis selalu adalah konsistensi dibandingkan dengan bahan kimia. Sedangkan pupuk sintetis bisa digunakan dimana saja, baik di halaman belakang rumah, pekarangan rumah, atau ladang jagung.”
Industri ini masih mempelajari variabel-variabel yang dapat mempengaruhi kemanjuran bahan biologis pengikat nitrogen yang direkayasa, katanya. “Kandungan air merupakan salah satu faktor, komposisi tanah, suhu… Anda dapat memiliki mikroba yang bekerja dengan sangat baik di lingkungan tropis dan Anda membawanya ke Jerman bagian utara dan mereka tidak berfungsi lagi.
“Yang paling penting adalah jumlah nitrogen yang diperbaiki dan ditransfer ke pabrik, tetapi juga memilih sasis yang memiliki sifat stabilitas dan kolonisasi, yang lebih sulit untuk direkayasa.”
Sebagai sebuah industri, ia menambahkan, “Kami masih mempelajari berapa lama mereka bertahan menempel pada tanaman dan berapa lama selama musim tanam mereka masih memproduksi nitrogen dan menambah pupuk sintetis?”
'Jika pengurangan input pupuk dapat dikurangi sebesar 25% atau lebih, maka dampak ekonomi akan menjadi sangat menarik bagi petani'
Sedangkan startup yang berbasis di California Switch Bio memelopori sebuah pendekatan memungkinkan mikroba yang direkayasa untuk terlebih dahulu bersaing dan berkembang di akar tanaman sebelum beralih ke produksi pupuk nitrogen, Ginkgo dan Bayer berfokus pada rekayasa solusi terhadap tantangan kolonisasi “daripada mengandalkan semacam mekanisme sinyal,” kata Miile.
Namun ada ruang untuk berbagai pendekatan di pasar ini, tegasnya.
“Mungkin solusinya adalah kombinasi beberapa hal, karena ada juga variabel lain di luar sana seperti ketersediaan fosfat (jika fosfat terbatas, mikroba pengikat nitrogen kekurangan energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan aktivitas nitrogenase). Pada titik ini, sepertinya tidak akan ada solusi tunggal yang secara ajaib memungkinkan petani mengurangi jumlah pupuk sintetis hingga setengahnya.”
Jadi apakah pilihan pupuk mikroba dapat sepenuhnya menggantikan pupuk sintetis?
“Saya pikir pengurangan mendekati 40% akan menjadi hasil yang menarik,” katanya. “Tetapi jika kita bisa mengurangi penggunaan pupuk sebesar 25% atau lebih, maka hal ini akan sangat menarik bagi petani. Meski begitu, ini adalah target yang tidak dapat diubah karena harga (pupuk sintetis) selalu melonjak.”
Sementara itu, dari sudut pandang lingkungan hidup, pengurangan jumlah pupuk nitrogen yang disemprotkan pada tanaman utama sebesar 25% akan memberikan dampak yang signifikan, baik dalam hal mengurangi dampak merusak dari limpasan air maupun mengurangi dampak buruk dari penggunaan pupuk nitrogen pada tanaman utama. emisi gas rumah kaca yang dihasilkan dari produksi amonia, katanya.
'Kami berharap regulator bisa mengejar kecepatan inovasi di industri ini'
Karena adanya perjanjian kerahasiaan, Miile tidak dapat memberikan rincian mengenai kapan Bayer akan memasuki pasar dengan produk mikroba pengikat nitrogen. Namun dia mengatakan: “Kami yakin kami akan memiliki produk yang secara signifikan mengungguli produk saat ini untuk aplikasi daun dan alur, namun kami juga sedang mengerjakan produk yang dapat digunakan sebagai perawatan benih dengan umur simpan yang lebih lama.”
Dia menambahkan: “Saya tidak bisa menjelaskan secara rinci di mana proyek tersebut berada, tetapi saya akan mengatakan bahwa peraturan (proses persetujuan) benar-benar merupakan sebuah faktor (dalam hal waktu peluncuran komersial).”
Meskipun mikroba pengikat nitrogen adalah pupuk hayati, suatu kategori yang secara umum lebih cepat dan mudah dinavigasi dibandingkan biopestisida dari sudut pandang peraturan, pengawasan menjadi lebih rumit jika Anda memasukkan mikroba hasil rekayasa genetika, katanya.
“Terkadang di AS sangat menantang untuk menjalankan uji coba lapangan seperti yang Anda inginkan, jadi Anda harus melakukannya di luar AS. Apa yang kami harapkan di dunia pertanian adalah agar para regulator dapat mengejar kecepatan inovasi dalam industri ini.”
Situasinya agak lebih mudah bagi produk biologis seperti metabolit dan peptida yang diproduksi oleh mikroba hasil rekayasa genetika, katanya, karena GMO itu sendiri tidak memasuki pasar.
Selain pengikatan nitrogen
Ketika ditanya apa lagi yang sedang dilakukan oleh bisnis ag bio Ginkgo, Miile mengatakan: “Kami banyak bekerja sama dengan mitra dari Brasil karena produk biologi berkembang lebih cepat di sana dibandingkan di tempat lain. Kami memberi mereka petunjuk lanjutan di bidang-bidang utama seputar pengendalian penyakit dan hama, namun kami juga menggunakan produk mereka dan membantu menjadikannya lebih baik, jadi kami mengambil strain yang mereka miliki dan mengoptimalkannya.”
Dia menambahkan: “Salah satu bidang yang kami lihat berkembang dalam tiga hingga empat tahun ke depan adalah seputar metabolit atau zat aktif sebagai pestisida biokimia yang kami identifikasi dan kemudian produksi dari mikroba dalam tangki fermentasi dan isolasi. Mereka benar-benar memiliki kemampuan untuk bersaing dengan sintetis dalam hal kemanjuran dan biaya.
“Hal lainnya adalah protein dan peptida, yang merupakan bidang di mana Ginkgo memiliki banyak pengalaman di bidang bioteknologi dan farmasi.”
'Kami mencoba memikirkan kembali bagaimana pekerjaan dilakukan di laboratorium, dan sebagian besar dari hal tersebut didorong oleh AI'
Area fokus utama lainnya di Ginkgo adalah seputar otomatisasi menggunakan unit otomatisasi modular yang diperoleh darinya Zymergen (perusahaan bioteknologi yang diakuisisi oleh Ginkgo pada tahun 2022) dan “membangunnya untuk menangani kebutuhan proses yang tinggi dan kompleks di laboratorium,” katanya.
“Kami pada dasarnya mencoba memikirkan kembali bagaimana pekerjaan dilakukan di laboratorium, dan sebagian besar dari hal tersebut didorong oleh AI. Ini semua adalah tentang perpaduan antara otomatisasi dan AI untuk secara signifikan meningkatkan produktivitas di laboratorium penelitian, baik di bidang biofarmasi maupun pertanian.”
Dia menambahkan: “Saya pikir akan sangat menarik untuk melihat jenis produk dan kualitas produk yang mulai muncul dalam produk biologis selama lima tahun ke depan. Kami akan membuat langkah perubahan dalam hal kinerja dan konsistensi.”
Bacaan lebih lanjut: