Sampung Ulit na Pinaigting ng mga Siyentipikong Tsino ang Produksiyon ng Artipisyal na Almirol, Palapit sa Paggawa ng Pagkain sa mga Pabrika

Paggawa ng mga Calorie mula sa Carbon Dioxide

Kapansin-pansing pinabilis ng mga mananaliksik na Tsino ang prosesong nagko-convert ng basurang gas mula sa industriya tungo sa nakakain na almirol, at nakamit ang sampung ulit na pagtaas sa produktibidad kumpara sa kanilang makabagong pamamaraan noong 2021. Ang pagsulong, na iniulat ng Chinese Academy of Sciences (CAS), ay naglalapit sa mundo sa produksiyon ng almirol sa antas-industriya nang hindi nangangailangan ng lupang sakahan, pananim o tradisyonal na agrikultura. Pinahusay ng mga siyentipiko sa Tianjin Institute of Industrial Biotechnology (TIB) ang kanilang sistemang enzymatic na walang selula upang gawing komplikadong carbohydrate ang carbon dioxide, sa bilis na higit na mataas na ngayon kaysa sa natural na potosintesis. Maaaring magdulot ang pag-unlad na ito ng malaking pagbabago sa pandaigdigang seguridad sa pagkain, dahil nag-aalok ito ng paraan upang makagawa ng mahahalagang sangkap ng pagkain at mga hilaw na materyales para sa industriya habang iniiwasan ang mga pinsala sa kapaligiran na dulot ng karaniwang pagsasaka.

Limang taon nang pinauunlad ng pangkat ng pananaliksik, sa pangunguna ni Propesor Cai Tao, ang pinagsamang kemikal at biokemikal na prosesong unang inilahad sa journal na Science. Ipinakita ng kanilang pambihirang tagumpay noong 2021 na kayang gumawa ng almirol mula sa CO2 sa bilis na 8.5 ulit kaysa sa mga halamang mais. Sampung ulit pa nilang pinarami ang produksiyon sa pinakabagong mga pagpapahusay, kaya nakalikha sila ng sistemang may antas ng kahusayan na dati'y itinuturing lamang na teoretikal. Handa na ngayong hamunin ng artipisyal na anabolic pathway ng almirol (ASAP) ang nakagisnang sistema ng agrikultura na namayani sa kabihasnan ng tao sa loob ng maraming milenyo.

Ang Kimika ng Sintetikong Potosintesis

Ginagaya ng proseso ang kalikasan ngunit inaalis nito ang mga kakulangan sa biyolohiya na likas sa paglaki ng halaman. Sa halip na maghintay nang ilang buwan bago mahinog ang mais, natatapos ng pamamaraang panglaboratoryo ang conversion sa loob lamang ng ilang oras. Binubuo ang proseso ng labing-isang pangunahing reaksiyon na nagbabago sa gas na carbon dioxide tungo sa polymeric starch sa pamamagitan ng maingat na pagkakasunod-sunod ng mga hakbang na kemikal at enzymatic.

Una, ginagawang methanol ng isang inorganikong katalista ang carbon dioxide sa ilalim ng kontroladong mga kondisyon. Nagsisilbing panimulang materyal ang simpleng molekulang ito para sa sunod-sunod na reaksiyong enzymatic. Kumuha at nagdisenyo ang pangkat ng mga enzyme mula sa 31 magkakaibang species. Pumili at binago nila ang 62 kandidato upang matukoy ang sampung pinakamabisang katalista para sa gawain. Ginagawa ng mga biyolohikal na makinang ito na mga yunit ng asukal na may tatlo at anim na carbon ang methanol; pagkatapos ay pinagdurugtong ang mga ito upang maging amylose o amylopectin, ang dalawang pangunahing sangkap ng natural na almirol.

Magkapareho sa kemikal at pisikal na katangian ang sintetikong almirol na nalilikha at ang katapat nito mula sa agrikultura. Kinumpirma ng mga pagsusuri sa laboratoryo na magkatugma ang komposisyon at mga katangian ng mga ito. Nangangahulugan ito na maaaring direktang ipalit ang artipisyal na produkto sa almirol ng mais sa mga produktong pagkain, gamot, paggawa ng papel, tela, pandikit at nabubulok na plastik. Pinahihintulutan din ng pamamaraang ito ang pagbabago sa komposisyon ng almirol, kaya posibleng makagawa ng mga uring may partikular na bilis ng pagtunaw o mga katangiang akma sa mga pangangailangan ng industriya.

Mula Laboratoryo Tungo sa Pabrika

Mas malalaking hamon kaysa sa mismong tagumpay ng siyensiya ang kailangang lampasan upang maging komersiyal ang tagumpay sa laboratoryo. Kinilala ni Propesor Cai Tao ang hirap ng pagpapalawak ng produksiyon sa panayam sa China Science Daily. Ipinaliwanag niyang kailangang malampasan ang malalaking hadlang sa ekonomiya upang maiangat ang teknolohiya mula sa patunay ng konsepto tungo sa paggamit sa industriya.

Mahirap ang magmula sa zero tungo sa one, mahirap magbawas ng gastos, at mas mahirap pa ring makamit sa huli ang paggamit nito sa industriya. Gayunman, kailangan pa rin nating harapin ang hamon.

Ang pangunahing hadlang ay ang gastos sa mga enzyme. Sa orihinal na sistema noong 2021, kalahati ng lahat ng gastusin sa materyales ay para sa iisang pangunahing enzyme. Masinsinang tinutugunan ng pangkat ang suliraning ito: gumagamit sila ng artipisyal na intelihensiya upang magsala ng mas matatag at episyenteng mga baryante ng enzyme, habang bumubuo rin ng mga paraang magagamit muli ang mga biyolohikal na katalista. Lubhang nabawasan ng mga pagpapahusay na ito ang dami ng enzyme na kailangan nang hindi isinasakripisyo ang kahusayan ng reaksiyon.

Pinahusay din ng mga mananaliksik ang mga kondisyon ng reaksiyon upang mapababa nang malaki ang gastos sa enerhiya. Gumagana ang proseso sa ilalim ng kontroladong mga kondisyon sa laboratoryo, kaya mahuhulaan ang ani at hindi ito naaapektuhan ng panahon, mga siklo ng taon o pagbabago ng klima. Malaki ang kaibahan ng pagkakapare-parehong ito sa produksiyong agrikultural, kung saan maaaring pumatay sa taunang ani ang tagtuyot, baha at mga peste.

Muling Pagtatasa sa Ekonomiya ng Agrikultura

Higit pa sa simpleng sukatan ng kahusayan ang posibleng matipid na mga yaman. Ayon sa mga kalkulasyon ng pangkat ng TIB, kayang gumawa ng isang bioreactor na may bolyum na isang metro kubiko ng almirol na katumbas ng taunang ani mula sa humigit-kumulang isang katlo ng isang ektarya ng taniman ng mais. Kung mapapababa ang gastos sa produksiyon hanggang maging kapantay ng tradisyonal na pagsasaka, maaaring maalis ng teknolohiyang ito ang pangangailangan sa mahigit 90 porsiyento ng lupang sinasaka at tubig-tabang na kasalukuyang ginagamit sa produksiyon ng almirol.

Malaki ang magiging epekto sa pandaigdigang agrikultura ng pagbabagong ito sa paggamit ng lupa. Sa kasalukuyan, halos lubos na nakasalalay sa mais ang produksiyong industriyal ng almirol. Nangangailangan ang mais ng malalawak na lupang maaaring sakahin, masinsing patubig at maraming pataba at pestisidyo. Lalong tumitindi ang kompetisyon sa limitadong lupang sakahan sa pagitan ng mga pananim na pagkain at mga hilaw na materyales para sa industriya habang dumarami ang populasyon sa buong mundo at nagbabanta ang pagbabago ng klima sa mga ani.

Inilahad ni Ma Yanhe, ang founding director ng TIB, ang pananaw na gumagabay sa pananaliksik na ito sa isang pahayag noong 2021 na mahalaga pa rin hanggang ngayon. Sinabi niyang kapwa unang mithiin at panghuling layunin ng proyekto ang industriyalisasyon, at idiniin niyang hindi tatalikuran ng pangkat ang pagsisikap sa kabila ng mga hirap sa pagbuo nito.

Dagdag na benepisyong pangkapaligiran ang maidudulot ng teknolohiya dahil sa epekto nito sa siklo ng carbon. Sa halip na magbuga ng carbon dioxide sa atmospera, ginagamit ito ng proseso bilang hilaw na materyal. Kung renewable na kuryente ang gagamitin, maaari itong makagawa ng almirol na mas maraming carbon ang inaalis kaysa idinadagdag, anupat aktibong inaalis ang mga greenhouse gas sa atmospera habang lumilikha ng mahahalagang produkto. Ipinakita sa isang pag-aaral noong 2023 ng kaparehong pangkat, na inilathala sa Science Bulletin, na 3.5 ulit na mas mataas ang kahusayan sa enerhiya ng kanilang sistema at 23 ulit na mas mabilis ang mga bilis ng sintesis nito kaysa sa mga natural na sistema ng halaman.

Mga Alternatibong Biyolohikal na Proseso

Bagaman ang pamamaraang enzymatic ang pangunahing tampok sa mga ulat, ipinakikita ng mga kasabay na pananaliksik na may iba pang mabisang paraan upang gawing almirol ang carbon dioxide. Nakabuo ang mga siyentipiko ng alternatibong pamamaraang gumagamit ng pinahusay na lebadura, partikular ang strain na nag-iimbak ng langis na Yarrowia lipolytica, upang makagawa ng tinatawag nilang "mga butil na mayaman sa almirol."

Binabago ng biyolohikal na pamamaraang ito ang metabolismo ng lebadura upang makaipon ito ng almirol na umaabot sa 47 porsiyento ng tuyong timbang ng selula. Sa muling pag-aayos ng mga proseso ng biosintesis ng almirol at gluconeogenesis, at pagbabago sa hugis ng selula upang lumaki ito, nakamit ng mga mananaliksik ang produktibidad sa espasyo at panahon na humigit-kumulang 50 ulit na mas mataas kaysa sa tradisyonal na pagtatanim ng pananim. Gumagamit ang pamamaraan ng lebadura ng acetate, na maaaring gawin mula sa carbon dioxide sa pamamagitan ng elektrosintesis gamit ang renewable na kuryente. Lumilikha ito ng isa pang paraan para makagawa ng pagkain na mas maraming carbon ang inaalis kaysa idinadagdag.

Kayang kumonsumo ng pinahusay na lebadura ng basurang agrikultural gaya ng dayami kapag isinama ito sa acetate, kaya nagkakaroon ng paraan upang gawing nakakain na almirol ang selulosa. Tinutugunan ng kakayahang ito ang isa pang hamon sa agrikultura: ang hindi lubos na paggamit sa mga tira-tirang pananim. Magkaiba man ang mga pamamaraang enzymatic at mikrobiyal, iisa ang layunin ng mga ito na ihiwalay ang produksiyon ng pagkain sa tradisyonal na pagsasaka.

Pambansang Konteksto at mga Pandaigdigang Epekto

Makikita sa pamumuhunan ng Tsina sa teknolohiya ng sintetikong almirol ang matitinding hamong kinakaharap nito sa loob ng bansa. Kailangang pakainin ng bansa ang pinakamalaking populasyon sa mundo gamit ang limitadong lupang sakahan at yamang-tubig kada tao. Malaki ang ambag ng mga gawaing agrikultural sa pambansang emisyon ng carbon dahil sa produksiyon ng pataba, pagkonsumo ng gasolina ng makinarya, pagbuga ng methane mula sa pagtatanim ng palay at masinsinang paggamit ng enerhiya sa mga sistema ng patubig.

Ipinakikita ng kamakailang datos mula 2005 hanggang 2021 na gumamit ang Tsina ng dalawahang antas ng pamamahala sa agrikultura: pinagsama nito ang mas malalaking sakahan at mga pinagsasaluhang serbisyong propesyonal upang mabawasan ang tindi ng emisyon ng carbon habang pinananatili ang produksiyon. Gayunman, maaaring hindi sapat ang mga pagpapahusay na ito habang lumalala ang pagbabago ng klima at nasisira ang mga lupang sakahan. Maaaring maging karagdagang estratehiya ang sintetikong almirol na magpapalaya sa milyun-milyong ektarya ng lupa para sa pagpapanumbalik ng mga ekosistema o pagtatanim ng mga pananim na pagkain, habang natutugunan ang pangangailangan ng industriya sa carbohydrate.

Kaayon din ng mas malawak na transisyon sa enerhiya ng Tsina ang teknolohiyang ito. Habang pinalalawak ng bansa ang produksiyon ng renewable na kuryente at binabawasan ang mga emisyon mula sa sektor ng kuryente, nagiging mas praktikal ang mga teknolohiya sa pagsasalo at paggamit ng carbon. Nangangailangan ng enerhiya ang proseso ng CO2 tungo sa almirol, lalo na sa paunang conversion nito tungo sa methanol at sa produksiyon ng hydrogen sa pamamagitan ng elektrolisis ng tubig. Kapag solar o enerhiya ng hangin ang pinagmumulan, epektibong naiimbak ng sistema ang enerhiyang elektrikal sa mga bigkis na kemikal, na lumilikha ng uri ng imbakan ng enerhiya sa anyo ng pagkain.

Mga Pangunahing Punto

• Sampung ulit na pinataas ng mga siyentipikong Tsino sa Tianjin Institute of Industrial Biotechnology ang produktibidad ng conversion mula carbon dioxide tungo sa almirol kumpara sa kanilang pambihirang pamamaraan noong 2021.
• Gumagamit ang artipisyal na proseso ng labing-isang hakbang na enzymatic upang gawing almirol ang CO2 na kapareho ng produktong agrikultural. Tinatayang 85 ulit na mas mabilis na ito kaysa sa natural na pagbuo ng almirol sa mais.
• Kayang tumumbas ng isang bioreactor na may bolyum na isang metro kubiko, sa teorya, sa taunang produksiyon ng almirol mula sa isang katlo ng isang ektarya ng taniman ng mais. Posibleng makatipid ito ng mahigit 90 porsiyento ng lupain at tubig na ginagamit sa tradisyonal na produksiyon ng almirol.
• Gumagamit ang mga pangkat ng pananaliksik ng artipisyal na intelihensiya upang pahusayin ang mga enzyme at pababain ang gastos, na tumutugon sa mga pangunahing hadlang sa komersiyal na paggamit nito sa industriya.
• Nag-aalok ang kasabay na pananaliksik gamit ang pinahusay na lebadura ng alternatibong biyolohikal na proseso na may produktibidad sa espasyo na 50 ulit na mas mataas kaysa sa pagtatanim ng pananim, gamit ang acetate na ginawa sa pamamagitan ng elektrosintesis bilang hilaw na materyal.
• Maaaring mabawasan ng teknolohiyang ito ang mga emisyon ng carbon mula sa agrikultura, wakasan ang kompetisyon sa pagitan ng mga pananim na pagkain at pang-industriya para sa lupang sakahan, at magbigay ng paraang pangmanupaktura na mas maraming carbon ang inaalis kaysa idinadagdag kapag renewable na enerhiya ang gamit.