Wat komt er kijken om planten lekker te laten smaken? Voor wetenschappers in het Media Lab van MIT, het vereist een combinatie van botanie, machine learning-algoritmen, en wat ouderwetse scheikunde.

Met behulp van al het bovenstaande, onderzoekers van het Open Agriculture Initiative van Media Lab melden dat ze basilicumplanten hebben gemaakt die waarschijnlijk lekkerder zijn dan je ooit hebt geproefd. Er is geen genetische modificatie bij betrokken:de onderzoekers gebruikten computeralgoritmen om de optimale groeiomstandigheden te bepalen om de concentratie van smaakvolle moleculen, bekend als vluchtige verbindingen, te maximaliseren.

Maar dat is nog maar het begin voor het nieuwe veld van "cyberlandbouw, " zegt Caleb Harper, een hoofdonderzoeker in MIT's Media Lab en directeur van de OpenAg-groep. Zijn groep werkt nu aan het verbeteren van de ziektebestrijdende eigenschappen van kruiden, en ze hopen ook telers te helpen zich aan te passen aan veranderende klimaten door te bestuderen hoe gewassen onder verschillende omstandigheden groeien.

"Ons doel is om open source-technologie te ontwerpen op het snijvlak van data-acquisitie, voelen, en machinaal leren, en toepassen op landbouwonderzoek op een manier die nog niet eerder is gedaan, " zegt Harper. "We zijn erg geïnteresseerd in het bouwen van netwerktools die de ervaring van een fabriek kunnen gebruiken, zijn fenotype, de reeks spanningen die het tegenkomt, en zijn genetica, en dat digitaliseren zodat we de interactie tussen plant en omgeving kunnen begrijpen."

In hun studie van basilicumplanten, die verschijnt in het nummer van 3 april van PLOS EEN , vonden de onderzoekers, tot hun verbazing, dat het 24 uur per dag blootstellen van planten aan licht de beste smaak opleverde. Traditionele landbouwtechnieken zouden dat inzicht nooit hebben opgeleverd, zegt John de la Parra, de onderzoeksleider voor de OpenAg-groep en een auteur van de studie.

"Je had dit op geen andere manier kunnen ontdekken. Tenzij je op Antarctica bent, er is geen 24-uurs fotoperiode om in de echte wereld te testen, "zegt hij. "Je moest kunstmatige omstandigheden hebben om dat te ontdekken."

Harper en Risto Miikkulainen, een professor in computerwetenschappen aan de Universiteit van Texas in Austin, zijn de senior auteurs van het papier. Arielle Johnson, een director's fellow bij het Media Lab, en Elliot Meyerson van Cognizant Technology Solutions zijn de hoofdauteurs, en Timoteüs Savas, een speciale projectassistent bij het Open Agriculture Initiative, is ook een auteur.

Smaak maximaliseren

Gelegen in een magazijn in Middleton, Massachusetts, de OpenAg-planten worden gekweekt in zeecontainers die achteraf zijn aangebracht zodat de omgevingsomstandigheden, inclusief licht, temperatuur, en vochtigheid, zorgvuldig kan worden gecontroleerd.

Dit soort landbouw heeft vele namen:gecontroleerde milieulandbouw, verticale landbouw, stadslandbouw - en is nog steeds een nichemarkt, maar groeit snel zegt Harper. In Japan, zo'n "plantenfabriek" produceert wekelijks honderdduizenden kroppen sla. Echter, er zijn ook veel mislukte pogingen geweest, en er wordt zeer weinig informatie gedeeld tussen bedrijven die werken aan de ontwikkeling van dit soort faciliteiten.

Een van de doelen van het MIT-initiatief is om dat soort geheimhouding te doorbreken, door alle OpenAg-hardware te maken, software, en gegevens vrij beschikbaar.

"Er is op dit moment een groot probleem in de landbouwsector in termen van gebrek aan openbaar beschikbare gegevens, gebrek aan standaarden bij het verzamelen van gegevens, en gebrek aan gegevensuitwisseling, "Zegt Harper. "Dus terwijl machine learning en kunstmatige intelligentie en het ontwerp van geavanceerde algoritmen zo snel zijn gegaan, de verzameling van goed getagde, zinvolle landbouwgegevens lopen ver achter. Onze tools zijn open-source, hopelijk worden ze sneller verspreid en creëren ze de mogelijkheid om samen genetwerkte wetenschap te doen."

In de PLOS EEN studie, het MIT-team wilde de haalbaarheid van hun aanpak aantonen, waarbij planten onder verschillende omstandigheden worden gekweekt in hydrocultuurcontainers die ze 'voedselcomputers' noemen. Met deze opstelling konden ze de lichtduur en de duur van blootstelling aan ultraviolet licht variëren. Toen de planten volgroeid waren, de onderzoekers evalueerden de smaak van de basilicum door de concentratie van vluchtige stoffen in de bladeren te meten, met behulp van traditionele analytisch-chemische technieken zoals gaschromatografie en massaspectrometrie. Deze moleculen bevatten waardevolle voedingsstoffen en antioxidanten, dus het verbeteren van de smaak kan ook gezondheidsvoordelen bieden.

Alle informatie uit de fabrieksexperimenten werd vervolgens ingevoerd in algoritmen voor machine learning die de teams van MIT en Cognizant (voorheen Sentient Technologies) ontwikkelden. De algoritmen evalueerden miljoenen mogelijke combinaties van licht- en UV-duur, en genereerde sets van omstandigheden die de smaak zouden maximaliseren, inclusief het 24-uurs daglicht regime.

Verder gaan dan smaak, de onderzoekers werken nu aan de ontwikkeling van basilicumplanten met hogere gehaltes aan verbindingen die kunnen helpen bij de bestrijding van ziekten zoals diabetes. Van basilicum en andere planten is bekend dat ze verbindingen bevatten die helpen de bloedsuikerspiegel onder controle te houden, en in eerder werk, de la Parra heeft aangetoond dat deze verbindingen kunnen worden versterkt door wisselende omgevingscondities.

De onderzoekers bestuderen nu de effecten van het afstemmen van andere omgevingsvariabelen zoals temperatuur, vochtigheid, en de kleur van het licht, evenals de effecten van het toevoegen van plantenhormonen of voedingsstoffen. In een studie, ze stellen planten bloot aan chitosan, een polymeer gevonden in insectenschelpen, waardoor de plant verschillende chemische verbindingen produceert om de insectenaanval af te weren.

Ze zijn ook geïnteresseerd in het gebruik van hun aanpak om de opbrengsten van geneeskrachtige planten zoals de maagdenpalm van Madagascar te verhogen, wat de enige bron is van de kankerbestrijdende verbindingen vincristine en vinblastine.

"Je kunt dit papier zien als het beginschot voor veel verschillende dingen die kunnen worden toegepast, en het is een tentoonstelling van de kracht van de tools die we tot nu toe hebben gebouwd, zegt de la Parra. "Dit was het archetype voor wat we nu op grotere schaal kunnen doen."

Klimaatadaptatie

Een andere belangrijke toepassing voor cyberlandbouw, zeggen de onderzoekers, is aanpassing aan klimaatverandering. Hoewel het gewoonlijk jaren of decennia duurt om te bestuderen hoe verschillende omstandigheden gewassen zullen beïnvloeden, in een gecontroleerde agrarische omgeving, veel experimenten kunnen worden gedaan in een korte tijd.

"Als je dingen op een veld laat groeien, je bent afhankelijk van het weer en andere factoren om mee te werken, en je moet wachten op het volgende groeiseizoen, " zegt de la Parra. "Met systemen zoals de onze, we kunnen de hoeveelheid kennis die veel sneller kan worden opgedaan enorm vergroten."

Het OpenAg-team voert momenteel een dergelijk onderzoek uit naar hazelnootbomen voor snoepfabrikant Ferrero, die ongeveer 25 procent van 's werelds hazelnoten verbruikt.

Als onderdeel van hun educatieve missie, de onderzoekers hebben ook kleine 'persoonlijke voedselcomputers' ontwikkeld - dozen die kunnen worden gebruikt om planten onder gecontroleerde omstandigheden te laten groeien en gegevens terug te sturen naar het MIT-team. Deze worden nu gebruikt door veel middelbare scholieren en middelbare scholieren in de Verenigde Staten, binnen een netwerk van diverse gebruikers verspreid over 65 landen, die hun ideeën en resultaten kunnen delen via een online forum.

"Voor ons, elke doos is een gegevenspunt waar we erg in geïnteresseerd zijn, maar het is ook een experimenteerplatform voor het onderwijzen van milieuwetenschappen, codering, scheikunde, en wiskunde op een nieuwe manier, ' zegt Harper.