Szén-dioxidból keményítőt? Kínai tudósoknak sikerült

A közelmúltban egy kínai tanulmány jelent meg a Science nemzetközi tudományos folyóiratban. A Kínai Tudományos Akadémia alá tartozó Tiencsini Ipari Biotechnológiai Intézet kutatói jelentős áttörést értek el a keményítő mesterséges szintézisében, a világon elsőként állítottak elő szén-dioxidból keményítőt teljes szintézissel. Ezt a világot érintő jelentős úttörő technológiának tekintik a nemzetközi tudományos körök.

Chen Jian (Csen Csien), a Kínai Mérnöktudományi Akadémia tagja elmondta, „Ez a tanulmány kémiai és biológiai módszereket kombinál, főleg új technológiák, mint például a fehérjemérnökség és a szintetikus biológia felhasználásával, a szén-dioxidból közvetlenül szintetizálja a keményítőt, teljesen felforgatta a hagyományos keményítőgyártási módszert. Ez a tanulmány tipikus nulláról induló eredeti eredmény, nemcsak forradalmi hatással lesz a jövőbeni mezőgazdasági termelésére, különösen a gabonatermelésre, hanem mérföldkő jelentőségű a globális biotermelés fejlődése szempontjából is.”

A keményítő gyakran szerepel az ember étrendjében, nemcsak energiát, hanem táplálékot is tud biztosítani az emberi szervezet számára. A keményítő nélkülözhetetlen, a rizs, a búza, a kukorica, a burgonya és a jamgyökér is tartalmaz keményítőt.

A keményítő előállításához szén-dioxidot használata hihetetlen technológiának tűnik, amilyen csak filmekben jelenik meg. De hogyan készül a mesterségesen előállított keményítő?

A szintetikus keményítő technológia megvalósítása előtt a keményítőt a növények, a kukorica, a búza, a rizs és más növények termelték természetes módon, fotoszintézis útján, és ez a folyamat több mint 60 biokémiai reakciót foglal magában. A kínai tudósok utánozták a növények keményítő előállítási folyamatát, kivették a fontos lépéseket, amelyeket egyszerűsített módszerekkel helyettesítettek, és végül 11 lépésből álló reakciót dolgoztak ki a keményítő előállítására. Itt érdemes megemlíteni, hogy a tudósok nem töröltek fölösleges lépéseket a 60 lépésből, míg végül 11 lépés maradt, hanem újratervezték ez egész folyamatot 11 lépésből álló mechanizmussá. A keményítő mesterséges szintetizálásának teljes folyamatában a fő nyersanyag a levegőben lévő szén-dioxid, így a természetes módhoz képest ez az új módszer nem igényel földet, vizet, emberi és egyéb erőforrásokat.

A tudományos kutatócsoport által a keményítő mesterséges szintézisében elért legújabb áttörés nemcsak kevesebb lépésből áll, hanem nagyobb energiakonverziós hatékonysággal és nagyobb szintézissebességgel is rendelkezik. A természetes úton a gabona keményítővé alakításának energiakonverziós hatékonysága csak körülbelül 2%. Ennek a mesterséges útnak az elméleti hatékonysága 3,5-szerese a kukoricáénak, és a keményítő szintézisének sebessége 8,5-szerese a kukoricáénak. A múltban 2-3 hónapot vett igénybe a keményítő előállítása, most a laboratóriumban csak néhány óra kell hozzá, ami nagymértékben javítja a termelési hatékonyságot. Az aktuális műszaki paraméterek alapján számítva elméletileg az 1 köbméteres bioreaktorban termelt keményítő mennyisége megegyezik több mint 3 ezer négyzetméteres földön ültetett kukoricából származó keményítővel.

Ez a technológia lehetővé teszi számos gyakorlati probléma megoldását. A világ jelenleg az éghajlat felmelegedésének válságával néz szembe, és a szén-dioxid koncentrációja olyan mutató, amelyet az embereknek csökkenteniük kell a jövőben. Az országok ipari fejlődése elkerülhetetlenül szén-dioxid-kibocsátást okoz, a természetes növények önmagukban nem képesek túl sok szén-dioxidot felszívni. Ezért, ha a jövőben népszerűsítik a szintetikus keményítő technológiát, a szén-dioxid közvetlen alakulhat keményítővé, ez nemcsak csökkenti a szén-dioxidot, hanem képes élelmiszert termelni, két legyet üt egy csapásra.

Másodszor, a tanulmány technikai garanciát nyújt Kína élelmezésbiztonságára. Minden ország élelmezésbiztonsága olyan természeti erőforrásokra támaszkodott, mint a föld és a víz. Ha hiányzik az egyik erőforrás, vagy természeti katasztrófák vannak, akkor az élelmezésbiztonság veszélybe kerül. De a szintetikus keményítő technológiája újabb biztosíték az emberek túléléséhez.

Hosszú távú szempontból, ha ez a technológia továbbfejlődik, az emberek nem halnak éhen, ha távoli helyekre utaznak az univerzumban. Például a Mars légkörének közel 96%-a szén-dioxid, ami egy hatalmas magtárnak számít.

A kínai tudományos kutatócsoport szerint bár megvan a szintetikus keményítő előállításának technikai útja, csak kevés keményítőmintát állítottak elő a laboratóriumban. A szintetikus keményítő ipari és tömeggyártása még mindig sok kihívással néz szembe.

A teljesítményt a terület szakértői nagyon dicsérték itthon és külföldön. „Mint mindannyian tudjuk, a szén-dioxid rögzítése és hasznos szerves vegyi anyaggá történő átalakítása jelentős nemzetközi kihívás”, mondta Manfred Reitz, a Német Tudományos Akadémia és az Európai Tudományos Akadémia tagja, „a kínai tudósok nagy lépést tettek előre az ezen a területen végzett kutatásban, és egyúttal világszínvonalúvá teszik a Kínai Tudományos Akadémia Tiencsini Ipari Biotechnológiai Intézetét.” Jens Nielsen, az amerikai Nemzeti Tudományos Akadémia tagja, a svéd Chalmers University of Technology professzora elmondta, hogy a szén-dioxid nyersanyagként történő felhasználásával a keményítő szintézise elképesztő eredmény ahhoz, hogy szintetikus biológiát alkalmazzanak a mai társadalomban létező számos nagy kihívás megoldására.

Zhou Qi (Csou Csi), a Kínai Tudományos Akadémia alelnöke elmondta, hogy a mai világnak számos olyan nagy kihívással kell szembenéznie, mint a globális klímaváltozás, az élelmiszerbiztonság, az energiaforrások hiánya és a környezetszennyezés. A technológiai innováció kulcsfontosságú tényezővé vált az emberiség szebb jövőjének megteremtésében. A szén-dioxid átalakítása és hasznosítása, valamint a keményítőipar szintézise a legfontosabb technológiák egyike, ami kezelheti a kihívást.

„A mérnöki elveknek megfelelően a biológiai számítástechnika felhasználásával sikerült terveznünk és kiépítenünk a szén-dioxid rögzítésének és a keményítő mesterséges előállításának radikálisan új útját, a világon először megvalósítottuk a szén-dioxidból keményítővé történő teljes szintézist. Lehetővé tettük, hogy a keményítőt a korábbi egyetlen hagyományos mezőgazdasági mód helyett ipari módon is előállíthassuk. A tanulmány eredeti áttörést jelent.”