Chinese wetenschappers rapporteerden onlangs een de novo route voor kunstmatige zetmeelsynthese uit koolstofdioxide (CO ₂ ) Voor de eerste keer. Relevante resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschap op 24 september.

De nieuwe route maakt het mogelijk om de wijze van zetmeelproductie te verschuiven van traditionele landbouwaanplant naar industriële productie, en opent een nieuwe technische route voor het synthetiseren van complexe moleculen uit CO ₂ .

Zetmeel is het belangrijkste bestanddeel van graan en een belangrijke industriële grondstof. Momenteel, het wordt voornamelijk geproduceerd door gewassen zoals maïs door CO . vast te leggen ₂ door fotosynthese. Dit proces omvat ongeveer 60 biochemische reacties en complexe fysiologische regulatie. De theoretische energieomzettingsefficiëntie van dit proces is slechts ongeveer 2%.

Strategieën voor een duurzame levering van zetmeel en gebruik van CO ₂ zijn dringend nodig om de grote uitdagingen van de mensheid te overwinnen, zoals de voedselcrisis en klimaatverandering. Het ontwerpen van nieuwe routes anders dan fotosynthese van planten voor het omzetten van CO ₂ to zetmeel is een belangrijke en innovatieve W&T-missie en zal een belangrijke disruptieve technologie zijn in de wereld van vandaag.

Om dit probleem aan te pakken, wetenschappers van het Tianjin Institute of Industrial Biotechnology (TIB) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) ontwierpen een chemo-enzymatisch systeem en een anabole route voor kunstmatige zetmeel bestaande uit slechts 11 kernreacties om CO ₂ in zetmeel.

Deze route is tot stand gekomen door een 'bouwsteen'-strategie, waarin de onderzoekers chemische en biologische katalytische modules integreerden om energie met hoge dichtheid en hoge concentratie CO . te gebruiken ₂ op een biotechnologisch innovatieve manier.

De onderzoekers hebben dit hybride systeem systematisch geoptimaliseerd met behulp van ruimtelijke en temporele segregatie door problemen aan te pakken zoals substraatconcurrentie, productremming, en thermodynamische aanpassing.

De kunstmatige route kan zetmeel produceren uit CO ₂ met een efficiëntie die 8,5 keer hoger is dan de biosynthese van zetmeel in maïs, wat een grote stap suggereert om verder te gaan dan de natuur. Het biedt een nieuwe wetenschappelijke basis voor het creëren van biologische systemen met ongekende functies.

"Volgens de huidige technische parameters, de jaarlijkse productie van zetmeel in een bioreactor van één kubieke meter komt theoretisch overeen met de jaarlijkse zetmeelopbrengst van 1/3 hectare maïs zonder rekening te houden met de energie-input, " zei Cai Tao, hoofdauteur van de studie.

Dit werk zou een venster openen voor industriële productie van zetmeel uit CO ₂ .

"Als de totale kosten van het proces in de toekomst kunnen worden teruggebracht tot een economisch vergelijkbaar niveau met beplanting in de landbouw, er wordt verwacht dat het meer dan 90% van het gecultiveerde land en de zoetwaterbronnen zal besparen, " zei MA Yanhe, corresponderende auteur van de studie.

In aanvulling, het zou ook helpen om de negatieve milieueffecten van het gebruik van pesticiden en meststoffen te voorkomen, de voedselzekerheid van mensen verbeteren, een CO2-neutrale bio-economie mogelijk maken, en uiteindelijk de vorming van een duurzame biogebaseerde samenleving te bevorderen.

TIB heeft zich gericht op kunstmatige zetmeelbiosynthese en CO ₂ gebruik sinds 2015. Om dergelijk vraaggericht W&T-onderzoek uit te voeren, allerlei middelen voor innovatie zijn verzameld en de integratie van "discipline, taak en platform" is versterkt om een ​​efficiënte coördinatie van onderzoeksinspanningen te bereiken.