Chińscy naukowcy opracowali metodę wytwarzania skrobi z dwutlenku węgla i robią to wydajniej niż rośliny. Nowa technika, która opiera się na katalizatorach chemicznych i kombinacji naturalnych i zmodyfikowanych enzymów, przekształca CO2 w skrobię 8,5 razy skuteczniej niż kukurydza. Naukowcy są przekonani, że ich technika będzie miała rewolucyjny wpływ na przyszłą produkcję rolną.
Badacze z Instytutu Biotechnologii Przemysłowej w Tianjin Chińskiej Akademii Nauk opracowali metodę syntezy skrobi z dwutlenku węgla. Nowe podejście umożliwia zmianę produkcji skrobi z tradycyjnych upraw rolniczych na produkcję przemysłową i otwiera nową drogę do syntezy złożonych cząsteczek z CO2.
Wyniki badań ukazały się na łamach pisma „Science” (DOI: 10.1126/science.abh4049).
Skrobia jest głównym źródłem energii w diecie człowieka, a także ważnym surowcem przemysłowym. Obecnie jest pozyskiwana przede wszystkim z roślin uprawnych. Szczególnie dużo skrobi posiadają ziarna zbóż, bulwy ziemniaków i manioku oraz kukurydza i ryż. Surowiec ten jest wykorzystywany głównie w przemyśle spożywczym, ale skrobi używa się też przy produkcji papieru czy różnorakich medykamentów. Zastosowanie znajduje także w innych gałęziach gospodarki, jak przemysł włókienniczy czy kosmetyczny.
Skrobia jest magazynowana w owocach, łodygach, kłączach, liściach czy korzeniach poprzez wiązanie dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy. Stanowi dla roślin zapas energetyczny. Proces wiązania CO2 obejmuje około 60 złożonych reakcji biochemicznych, a teoretyczna wydajność konwersji energii słonecznej w energię znajdującą się w skrobi, jak wskazali badacze, wynosi tylko około 2 proc. Chińscy naukowcy opracowali nową ścieżkę wiązania dwutlenku węgla i syntezy skrobi od podstaw z pominięcie fotosyntezy i bez udziału żywych organizmów.
- Możliwe jest wytwarzanie skrobi w fabryce, a nie na farmie, co powinno być sposobem na zapewnienie bezpieczeństwa żywnościowego człowieka i zmniejszenie stężenia dwutlenku węgla – mówi Yanhe Ma, mikrobiolog z Instytutu Biotechnologii Przemysłowej w Tianjin.
Opracowanie nowej drogi, innej niż fotosynteza roślinna, do przekształcania CO2 w skrobię, jest ważnym osiągnięciem. Taka syntetyczna skrobia mogłaby znaleźć zastosowanie w przemyśle oraz jako składnik żywności dla ludzi i zwierząt. Co więcej, pozwoliłaby zredukować pola uprawne i ograniczyć stężenie CO2 w powietrzu. Nowa metoda została przez twórców nazwana artificial starch anabolic pathway, w skrócie ASAP.
Opracowany przez chińskich uczonych proces przebiega w 11 etapach. Opiera się na katalizatorach chemicznych i kombinacji naturalnych i zmodyfikowanych enzymów. Najpierw CO2 jest redukowany do metanolu, by następnie przekształcić go w cukry proste, a potem w skrobię. Do redukcji CO2 do metanolu uczeni wykorzystali katalizator na bazie cynku i cyrkonu. To podstawa całego procesu. Metanol przekształcany jest w cukry, a potem w długołańcuchowe cząsteczki skrobi przy pomocy zmodyfikowanych enzymów pochodzących z wielu różnych organizmów.
Jak przyznali badacze, proces początkowo trwał 10 godzin. Aby go przyspieszyć, uczeni systematycznie sprawdzali skuteczność każdego kroku. Zidentyfikowali wąskie gardła powodowane przez naturalne enzymy i stworzyli lepsze ich warianty. To było kluczem do zwiększenia wydajności procesu. Po ulepszeniu proces trwa cztery godziny, podczas gdy rośliny kukurydzy potrzebują 120 dni na wytworzenie skrobi.
Nowa technika przekształca CO2 w skrobię z szybkością 22 nanomoli na minutę, czyli 8,5 razy wydajniej niż kukurydza. - Zgodnie z aktualnymi parametrami technicznymi roczna produkcja skrobi w bioreaktorze o powierzchni jednego metra sześciennego teoretycznie byłaby równa rocznej produkcji skrobi z 1/3 hektara upraw kukurydzy bez uwzględnienia nakładu energetycznego – powiedział Cai Tao, główny autor publikacji.
- Jeżeli całkowity koszt procesu udałoby się w przyszłości obniżyć do poziomu ekonomicznie porównywalnego z rolnictwem, pozwoliłoby to zaoszczędzić to ponad 90 proc. ziemi uprawnej i zasobów słodkiej wody – powiedział Yanhe Ma.
Ponadto pomogłoby to również uniknąć negatywnego wpływu stosowania pestycydów i nawozów na środowisko, poprawić bezpieczeństwo żywnościowe ludzi, ułatwić biogospodarkę neutralną pod względem emisji dwutlenku węgla i ostatecznie promować tworzenie zrównoważonego społeczeństwa opartego na biotechnologii.
Źródło: Chinese Academy of Sciences, Chemical & Engineering News, fot. Mark Fergus, CSIRO/ Wikimedia Commons/ CC BY 3.0
