Kinesiske videnskabsmænd rapporterer om stivelsesyntese fra kuldioxid

Kinesiske videnskabsmænd rapporterede for nylig om en de novo-rute til kunstig stivelsessyntese fra kuldioxid (CO ₂ ) for første gang. Relevante resultater blev offentliggjort i Videnskab den 24. sept.

Den nye rute gør det muligt at flytte stivelsesproduktionsmåden fra traditionel landbrugsplantning til industriel fremstilling, og åbner op for en ny teknisk rute til syntetisering af komplekse molekyler fra CO ₂ .

Stivelse er hovedbestanddelen af ​​korn såvel som et vigtigt industrielt råmateriale. På nuværende tidspunkt det produceres hovedsageligt af afgrøder som majs ved at binde CO ₂ gennem fotosyntese. Denne proces involverer omkring 60 biokemiske reaktioner samt kompleks fysiologisk regulering. Den teoretiske energiomdannelseseffektivitet af denne proces er kun omkring 2%.

Strategier for bæredygtig forsyning af stivelse og brug af CO ₂ er et presserende behov for at overvinde menneskehedens store udfordringer, som fødevarekrisen og klimaforandringerne. Design af nye ruter bortset fra plantefotosyntese til omdannelse af CO ₂ at stivelse er en vigtig og innovativ S&T-mission og vil være en væsentlig forstyrrende teknologi i dagens verden.

For at løse dette problem, forskere ved Tianjin Institute of Industrial Biotechnology (TIB) under det kinesiske videnskabsakademi (CAS) designet et kemoenzymatisk system såvel som en kunstig stivelsesanabolsk rute bestående af kun 11 kernereaktioner til at omdanne CO ₂ til stivelse.

Denne rute blev etableret af en "byggeklods"-strategi, hvor forskerne integrerede kemiske og biologiske katalytiske moduler for at udnytte højdensitetsenergi og højkoncentreret CO ₂ på en bioteknologisk innovativ måde.

Forskerne optimerede systematisk dette hybride system ved hjælp af rumlig og tidsmæssig adskillelse ved at tage fat på spørgsmål som substratkonkurrence, produkthæmning, og termodynamisk tilpasning.

Den kunstige vej kan producere stivelse fra CO ₂ med en effektivitet 8,5 gange højere end stivelsesbiosyntese i majs, tyder på et stort skridt mod at gå ud over naturen. Det giver et nyt videnskabeligt grundlag for at skabe biologiske systemer med hidtil usete funktioner.

"Ifølge de nuværende tekniske parametre, den årlige produktion af stivelse i en bioreaktor på én kubikmeter svarer teoretisk til det årlige udbytte af stivelse fra dyrkning af 1/3 hektar majs uden hensyntagen til energitilførslen, " sagde Cai Tao, hovedforfatter af undersøgelsen.

Dette arbejde ville åbne et vindue for industriel fremstilling af stivelse fra CO ₂ .

"Hvis de samlede omkostninger ved processen kan reduceres til et niveau, der er økonomisk sammenligneligt med landbrugsbeplantning i fremtiden, det forventes at spare mere end 90 % af dyrket jord og ferskvandsressourcer, " sagde MA Yanhe, tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Ud over, det vil også bidrage til at undgå den negative miljøpåvirkning af brugen af ​​pesticider og gødning, forbedre menneskets fødevaresikkerhed, fremme en kulstofneutral bioøkonomi, og i sidste ende fremme dannelsen af ​​et bæredygtigt biobaseret samfund.

TIB har fokuseret på kunstig stivelsesbiosyntese og CO ₂ udnyttelse siden 2015. For at udføre en sådan efterspørgselsorienteret V&T-forskning, alle slags ressourcer til innovation er blevet samlet sammen og integrationen af ​​"disciplin, opgave og platform" er blevet styrket for at opnå en effektiv koordinering af forskningsindsatsen.