Kinesiska forskare rapporterade nyligen om en de novo-väg för konstgjord stärkelsesyntes från koldioxid (CO ₂ ) för första gången. Relevanta resultat publicerades i Vetenskap den 24 sept.

Den nya vägen gör det möjligt att flytta produktionssättet för stärkelse från traditionell jordbruksodling till industriell tillverkning, och öppnar upp en ny teknisk väg för att syntetisera komplexa molekyler från CO ₂ .

Stärkelse är huvudkomponenten i spannmål och är en viktig industriell råvara. För närvarande, det produceras huvudsakligen av grödor som majs genom att binda CO ₂ genom fotosyntes. Denna process involverar cirka 60 biokemiska reaktioner samt komplex fysiologisk reglering. Den teoretiska energiomvandlingseffektiviteten för denna process är endast cirka 2 %.

Strategier för hållbar försörjning av stärkelse och användning av CO ₂ behövs akut för att övervinna mänsklighetens stora utmaningar, som livsmedelskrisen och klimatförändringarna. Utforma nya vägar andra än växtfotosyntes för att omvandla CO ₂ stärkelse är ett viktigt och innovativt S&T-uppdrag och kommer att vara en betydande störande teknologi i dagens värld.

För att lösa detta problem, forskare vid Tianjin Institute of Industrial Biotechnology (TIB) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) designade ett kemoenzymatiskt system såväl som en artificiell stärkelseanabol väg bestående av endast 11 kärnreaktioner för att omvandla CO ₂ till stärkelse.

Den här rutten etablerades av en "byggstensstrategi", där forskarna integrerade kemiska och biologiska katalytiska moduler för att utnyttja högdensitetsenergi och högkoncentrerad CO ₂ på ett biotekniskt innovativt sätt.

Forskarna optimerade systematiskt detta hybridsystem med hjälp av rumslig och tidsmässig segregation genom att ta itu med frågor som substratkonkurrens, produkthämning, och termodynamisk anpassning.

Den konstgjorda vägen kan producera stärkelse från CO ₂ med en effektivitet som är 8,5 gånger högre än stärkelsebiosyntes i majs, föreslår ett stort steg mot att gå bortom naturen. Det ger en ny vetenskaplig grund för att skapa biologiska system med oöverträffade funktioner.

"Enligt nuvarande tekniska parametrar, den årliga produktionen av stärkelse i en bioreaktor på en kubikmeter är teoretiskt lika med den årliga avkastningen av stärkelse från att odla 1/3 hektar majs utan att ta hänsyn till energitillförseln, " sade Cai Tao, huvudförfattare till studien.

Detta arbete skulle öppna ett fönster för industriell tillverkning av stärkelse från CO ₂ .

"Om den totala kostnaden för processen kan reduceras till en nivå som är ekonomiskt jämförbar med jordbruksplantering i framtiden, det förväntas spara mer än 90 % av odlad mark och sötvattenresurser, " sade MA Yanhe, motsvarande författare till studien.

Dessutom, det skulle också bidra till att undvika den negativa miljöpåverkan av användning av bekämpningsmedel och gödningsmedel, förbättra mänsklig matsäkerhet, underlätta en koldioxidneutral bioekonomi, och så småningom främja bildandet av ett hållbart biobaserat samhälle.

TIB har fokuserat på artificiell stärkelsebiosyntes och CO ₂ utnyttjande sedan 2015. För att genomföra sådan efterfrågeorienterad vetenskaps- och teknikforskning, alla typer av resurser för innovation har samlats och integrationen av "disciplin, uppgift och plattform" har stärkts för att uppnå effektiv samordning av forskningsinsatser.