El MIT ,cinco proyectos emblemáticos en el primer concurso Climate Grand Challenges
Los cinco proyectos emblemáticos, que representan los conceptos más prometedores que surgieron de la competencia de dos años, recibirán fondos y recursos adicionales del MIT y otros para desarrollar sus ideas y transformarlas rápidamente en soluciones prácticas a escala.
“Climate Grand Challenges representa un impulso de todo el MIT para desarrollar avances innovadores para enfrentar la escalada de la crisis climática, a tiempo para marcar la diferencia”, dice el presidente del MIT, L. Rafael Reif. “Nos inspira la creatividad y la audacia de las ideas emblemáticas y su potencial para hacer una contribución significativa a la respuesta climática global. Pero dada la escala planetaria del desafío, el éxito depende de la asociación. Estamos ansiosos por trabajar con líderes visionarios en todos los sectores para acelerar esta investigación orientada al impacto, implementar soluciones serias a escala e inspirar a otros a unirse a nosotros para enfrentar este desafío urgente para la humanidad».
A continuación se proporcionan breves descripciones de los cinco proyectos emblemáticos de Climate Grand Challenges.
Acercando la computación al desafío climático
Este proyecto aprovecha los avances en inteligencia artificial, aprendizaje automático y ciencias de datos para mejorar la precisión de los modelos climáticos y hacerlos más útiles para una variedad de partes interesadas, desde las comunidades hasta la industria. El equipo está desarrollando un gemelo digital de la Tierra que aprovecha más datos que nunca para reducir y cuantificar las incertidumbres en las proyecciones climáticas.
Líderes de investigación: Raffaele Ferrari , profesor de Oceanografía Cecil e Ida Green en el Departamento de Ciencias Planetarias, Atmosféricas y de la Tierra, y director del Programa de Atmósferas, Océanos y Clima; y Noelle Eckley Selin , directora del Programa de Tecnología y Políticas y profesora con nombramiento conjunto en el Instituto de Datos, Sistemas y Sociedad y el Departamento de Ciencias Planetarias, Atmosféricas y de la Tierra
Preparándose para un nuevo mundo de extremos meteorológicos y climáticos: los investigadores están trabajando para abordar las brechas clave en el conocimiento científico sobre los extremos climáticos. Foto: Cine Bearwalk
Centro de Electrificación y Descarbonización de la Industria
Este proyecto busca reinventar y electrificar los procesos y materiales detrás de industrias difíciles de descarbonizar como la producción de acero, cemento, amoníaco y etileno. Un nuevo centro de innovación llevará a cabo investigación e ingeniería fundamentales específicas con urgencia, impulsando el desarrollo tecnológico de las transformaciones químicas impulsadas por la electricidad.
Líderes de investigación: Yet-Ming Chiang , Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Kyocera, y Bilge Yıldız , Profesor Breene M. Kerr en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear y profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
El Centro para la Electrificación y Descarbonización de la Industria buscará reinventar y electrificar los procesos y materiales detrás de industrias difíciles de descarbonizar como la producción de acero, cemento, amoníaco y etileno.
Créditos: Foto: Cine Bearwalkprojects/revolutionizing-agriculture-with-low-emissions-resilient-crops/
Preparándose para un nuevo mundo de climas y condiciones climáticas extremas
Este proyecto aborda lagunas clave en el conocimiento sobre la intensificación de eventos extremos como inundaciones, huracanes y olas de calor, y cuantifica su riesgo a largo plazo en un clima cambiante. El equipo está desarrollando un conjunto de herramientas de adaptación al cambio climático escalable para ayudar a las comunidades vulnerables y a los proveedores de energía con bajas emisiones de carbono a prepararse para estos eventos climáticos extremos.
Líderes de investigación: Kerry Emanuel , Profesor Cecil e Ida Green de Ciencias Atmosféricas en el Departamento de Ciencias Planetarias, Atmosféricas y de la Tierra y codirector del Centro Lorenz del MIT; Miho Mazereeuw , profesor asociado de arquitectura y urbanismo en el Departamento de Arquitectura y director del Urban Risk Lab; y Paul O’Gorman , profesor del Programa de Atmósferas, Océanos y Clima del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias
El Sistema de Alerta Temprana de Resiliencia Climática
El proyecto CREWSnet busca reinventar la adaptación al cambio climático con un novedoso sistema de pronóstico que permite a las comunidades desatendidas interpretar el riesgo climático local, planificar de manera proactiva su futuro incorporando estrategias de resiliencia y minimizar las pérdidas. CREWSnet se demostrará inicialmente en el suroeste de Bangladesh, sirviendo como modelo para regiones amenazadas de manera similar en todo el mundo.
Líderes de investigación: John Aldridge , líder asistente del Grupo de Sistemas de Ayuda Humanitaria y Socorro en Desastres en el Laboratorio Lincoln del MIT, y Elfatih Eltahir , Profesor de Hidrología y Clima de HM King Bhumibol en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Revolucionando la agricultura con cultivos resilientes y bajos en emisiones
Este proyecto trabaja para revolucionar el sector agrícola con cultivos resistentes al clima y fertilizantes que tienen la capacidad de reducir drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero de la producción de alimentos.
Líder de investigación: Christopher Voigt , profesor Daniel IC Wang en el Departamento de Ingeniería Biológica
«Como una de las principales instituciones de investigación e innovación del mundo, corresponde al MIT aprovechar nuestro profundo conocimiento, ingenio y ambición para abordar los duros problemas climáticos que ahora enfrenta el mundo», dice Richard Lester, rector asociado de MIT para actividades internacionales. “Junto con colaboradores de la industria, las finanzas, la comunidad y el gobierno, los equipos de Climate Grand Challenges buscan desarrollar e implementar soluciones climáticas innovadoras y de alto impacto rápidamente y a gran escala”.
Revolucionar la agricultura con cultivos resilientes y bajos en emisiones: los investigadores trabajarán para revolucionar el sector agrícola con cultivos resistentes al clima y fertilizantes que tengan la capacidad de eliminar las emisiones de gases de efecto invernadero de la producción de alimentos.
La convocatoria inicial de ideas en 2020 generó casi 100 cartas de interés de casi 400 miembros de la facultad e investigadores senior, que representan el 90 por ciento de los departamentos del MIT. Luego de una extensa evaluación, 27 equipos finalistas recibieron un total de $2.7 millones para desarrollar planes integrales de investigación e innovación. Los proyectos abordan cuatro amplios temas de investigación:
- Incorporar la equidad y la justicia en las soluciones climáticas
- Descarbonización de industrias y procesos complejos
- Eliminación, gestión y almacenamiento de gases de efecto invernadero
- Uso de datos y ciencia para pronosticar riesgos relacionados con el clima
Para seleccionar los proyectos ganadores, los planes de investigación fueron revisados por paneles de expertos internacionales que representan dominios científicos y técnicos relevantes, así como expertos en procesos y políticas para la innovación y la escalabilidad.
“En respuesta al cambio climático, el mundo realmente necesita hacer dos cosas rápidamente: implementar las soluciones que ya tenemos mucho más ampliamente y desarrollar nuevas soluciones que se necesitan con urgencia para abordar esta amenaza cada vez más intensa”, dice Maria Zuber, vicepresidenta de MIT para investigar. “Estos cinco proyectos emblemáticos ejemplifican la firme determinación del MIT de aportar su conocimiento y experiencia para generar nuevas ideas y soluciones que ayudarán a resolver el problema climático”.
“Los proyectos emblemáticos de Climate Grand Challenges establecen un nuevo estándar para soluciones climáticas inclusivas que se pueden adaptar e implementar en todo el mundo”, dice la rectora del MIT, Melissa Nobles. “Esta competencia impulsa a toda la comunidad de investigación del MIT (profesores, estudiantes, posdoctorados y personal) a actuar con urgencia en torno a un empeoramiento de la crisis climática, y espero ver la diferencia que pueden marcar estos proyectos”.
“Los esfuerzos del MIT en la investigación del clima en medio de la crisis climática fue la razón principal por la que elegí asistir al MIT, y sigue siendo una razón por la que veo al Instituto favorablemente. El MIT tiene una clara oportunidad de ser un líder de pensamiento en el espacio climático a nuestra manera propia del MIT, por lo que CGC encaja tan bien”, dice la estudiante de último año Megan Xu, quien formó parte del comité de estudiantes de Climate Grand Challenges y está estudiando formas de hacer el sistema alimentario más sostenible.
La competencia Climate Grand Challenges es una iniciativa clave de «Fast Forward: MIT’s Climate Action Plan for the Decade», que el Instituto publicó en mayo de 2021. Fast Forward describe el plan integral del MIT para ayudar al mundo a abordar la crisis climática. Consta de cinco amplias áreas de acción: impulsar la innovación, educar a las generaciones futuras, informar y aprovechar la acción del gobierno, reducir el impacto climático del propio MIT y unir y coordinar todos los esfuerzos climáticos del MIT.
Uso de la biología vegetal para abordar el cambio climático
El 11 de abril, el MIT
Cinco proyectos emblemáticos plurianuales en los primeros Grandes Desafíos Climáticos, una nueva iniciativa para abordar problemas climáticos complejos y brindar soluciones innovadoras al mundo lo más rápido posible. Este artículo es el cuarto de una serie de cinco partes que destaca los conceptos más prometedores que surgieron de la competencia y los equipos de investigación interdisciplinarios detrás de ellos.
El impacto de nuestro clima cambiante en la agricultura y la seguridad alimentaria, y cómo la agricultura contemporánea contribuye al cambio climático, está al frente del proyecto multidisciplinario del MIT » Revolucionando la agricultura con cultivos resilientes y bajos en emisiones»..” El proyecto El proyecto es uno de los cinco ganadores insignia del concurso Climate Grand Challenges y reúne a investigadores de los departamentos de Biología, Ingeniería Biológica, Ingeniería Química e Ingeniería Civil y Ambiental.
“La investigación de nuestro equipo busca abordar dos desafíos conectados: primero, la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero que producen los fertilizantes agrícolas; en segundo lugar, el hecho de que los rendimientos de muchos cultivos agrícolas actuales disminuirán debido a los efectos del cambio climático en el metabolismo de las plantas”, dice el líder de la facultad del proyecto, Christopher Voigt, profesor Daniel IC Wang en el Departamento de Ingeniería Biológica del MIT. “Estamos llevando a cabo seis proyectos interdisciplinarios que son clave para nuestro objetivo general de desarrollar métodos de bajas emisiones para fertilizar plantas que están diseñadas mediante bioingeniería para que sean más resistentes y productivas en un clima cambiante”.
Los miembros del Instituto Whitehead Mary Gehring y Jing-Ke Weng, biólogos de plantas que también son profesores asociados en el Departamento de Biología del MIT, liderarán dos de esos proyectos.
Promoción de la resiliencia de los cultivos
Durante la mayor parte de la historia humana, el cambio climático se produjo de forma gradual, a lo largo de cientos o miles de años. Ese ritmo permitió que las plantas se adaptaran a las variaciones de temperatura, precipitación y composición atmosférica. Sin embargo, el cambio climático provocado por el hombre ha ocurrido mucho más rápido y las plantas de cultivo han sufrido: los rendimientos de los cultivos han disminuido en muchas regiones, al igual que el contenido de proteínas de las semillas en los cultivos de cereales.
“Si queremos asegurar un suministro abundante de alimentos nutritivos para el mundo, necesitamos desarrollar mecanismos fundamentales para la bioingeniería de una amplia variedad de plantas de cultivo que serán abundantes y nutritivas frente a nuestro clima cambiante”, dice Gehring. En su trabajo anterior, demostró que muchos aspectos de la reproducción de las plantas y el desarrollo de las semillas están controlados por la epigenética, es decir, por información fuera de la secuencia del ADN. Ha estado utilizando ese conocimiento y los métodos de investigación que ha desarrollado para identificar formas de crear variedades de plantas productoras de semillas que sean más productivas y resistentes que los cultivos alimentarios actuales.
Pero la biología de las plantas es compleja, y si bien es posible desarrollar plantas que integren rasgos que mejoren la robustez mediante la combinación de cepas parentales diferentes, los científicos aún están aprendiendo cómo garantizar que los nuevos rasgos se transmitan de una generación a la siguiente. «Las plantas que portan las características que mejoran la robustez tienen ‘vigor híbrido’ y creemos que la perpetuación de esas características está controlada por la epigenética», explica Gehring. «En este momento, algunos cultivos alimentarios, como el maíz, pueden diseñarse para beneficiarse de vigor híbrido, pero esos rasgos no se heredan. Es por eso que los agricultores que cultivan muchas de las variedades de maíz más productivas de la actualidad deben comprar y plantar nuevos lotes de semillas cada año. Además, muchos cultivos alimentarios importantes aún no se han dado cuenta de los beneficios del vigor híbrido”.
El proyecto que lidera Gehring, «Desarrollo de la producción de semillas clonales para arreglar el vigor híbrido», tiene como objetivo permitir que las plantas de cultivos alimentarios creen semillas que sean más robustas y genéticamente idénticas a la matriz y, por lo tanto, capaces de transmitir rasgos beneficiosos de generación en generación.
El proceso de producción clonal (o asexual) de semillas que son genéticamente idénticas al progenitor materno se denomina apomixis. Gehring dice: “Debido a que la apomixis está presente en 400 especies de plantas con flores, aproximadamente el 1 por ciento de las especies de plantas con flores, es probable que los genes y las vías de señalización necesarias para la apomixis ya estén presentes en las plantas de cultivo. Nuestro desafío es modificar esos genes y vías para que la planta cambie la reproducción de sexual a asexual”.
El proyecto aprovechará el hecho de que existen genes y vías relacionados con el desarrollo asexual autónomo del endospermo (el tejido nutritivo de una semilla) en la planta modelo Arabidopsis thaliana . En un trabajo anterior sobre Arabidopsis , el laboratorio de Gehring investigó un gen específico que, cuando está mal regulado, impulsa el desarrollo de un material asexual similar al endospermo. “Normalmente, esa semilla no sería viable”, señala. “Pero creemos que mediante el ajuste epigenético de la expresión de genes relevantes adicionales, permitiremos que la planta retenga ese material y ayudaremos a lograr la apomixis”.
Si Gehring y sus colegas logran crear una «fórmula» de expresión génica para introducir la apomixis del endospermo en una amplia gama de plantas de cultivo, habrán logrado un logro fundamental e importante. Tal método podría aplicarse en toda la agricultura para crear y perpetuar nuevas razas de cultivos capaces de resistir sus entornos cambiantes y al mismo tiempo requerir menos fertilizantes y pesticidas.
Creando cultivos “autofertilizantes”
Aproximadamente una cuarta parte de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en los Estados Unidos son producto de la agricultura. La producción y el uso de fertilizantes representan un tercio de esas emisiones e incluyen el óxido nitroso, que tiene una capacidad de atrapar calor 298 veces más fuerte que el dióxido de carbono, según un estudio de Frontiers in Plant Science de 2018 . La mayor parte de la producción de fertilizantes artificiales también consume grandes cantidades de gas natural y utiliza minerales extraídos de recursos no renovables. Después de todo eso, gran parte del fertilizante nitrogenado se convierte en escorrentía que contamina las vías fluviales locales. Por esas razones, este proyecto insignia de Climate Grand Challenges tiene como objetivo reducir en gran medida el uso de fertilizantes hechos por el hombre.
Un enfoque tentador es cultivar plantas de cultivo de cereales, que representan alrededor del 75 por ciento de la producción mundial de alimentos, capaces de extraer nitrógeno de las interacciones metabólicas con las bacterias en el suelo. Weng, del Instituto Whitehead, lidera un esfuerzo para hacer precisamente eso: modificar genéticamente cultivos como el maíz, el arroz y el trigo para, esencialmente, crear su propio fertilizante a través de una relación simbiótica con microbios fijadores de nitrógeno.
«Las legumbres como las plantas de frijoles y guisantes pueden formar nódulos en las raíces a través de los cuales reciben nitrógeno de las bacterias rizobios a cambio de carbono», explica Weng. “Este intercambio metabólico significa que las legumbres liberan muchos menos gases de efecto invernadero (y requieren mucha menos inversión de energía fósil) que los cultivos de cereales, que utilizan una gran parte de los fertilizantes nitrogenados producidos artificialmente que se emplean en la actualidad.
“Nuestro objetivo es desarrollar métodos para transferir la capacidad de ‘autofecundación’ de las leguminosas a los cultivos de cereales”, dice Weng. “Si podemos, revolucionaremos la sostenibilidad de la producción de alimentos”.
El proyecto, formalmente titulado «Imitación de la simbiosis leguminosa-rizobios para la producción de fertilizantes en cereales», será un esfuerzo de cinco años en varias etapas. Se basa en los extensos estudios de Weng sobre la evolución metabólica en las plantas y su identificación de las moléculas involucradas en la formación de los nódulos de las raíces que permiten los intercambios entre las leguminosas y las bacterias fijadoras de nitrógeno. También aprovecha su experiencia en la reconstitución de rutas metabólicas y de señalización específicas en las plantas.
Weng y sus colegas comenzarán descifrando el espectro completo de procesos de señalización de moléculas pequeñas que ocurren entre las leguminosas y las bacterias rhizobium. Luego, diseñarán genéticamente un sistema análogo en plantas de cultivo que no sean leguminosas. A continuación, utilizando métodos metabolómicos de última generación, identificarán qué pequeñas moléculas excretadas por las raíces de las leguminosas provocan un intercambio de nitrógeno/carbono por parte de la bacteria Rhizobium. Finalmente, los investigadores modificarán genéticamente la biosíntesis de esas moléculas en las raíces de las plantas que no son leguminosas y observarán su efecto sobre las bacterias Rhizobium que rodean las raíces.
Si bien el proyecto es complejo y técnicamente desafiante, su potencial es asombroso. “Centrándonos solo en el maíz, esto podría reducir la producción y el uso de fertilizantes nitrogenados en 160 000 toneladas”, señala Weng. “Y podría reducir a la mitad las emisiones relacionadas de gas de óxido nitroso”.
La tecnología ayuda a los campesinos ante el cambio climático
MIT- cambio climático y los desafíos energéticos en todo el mundo