Kohlendioxid synthetisiert Protein. Werden wir in Zukunft hungern, wenn wir nichts essen?

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Ich glaube, jeder kennt das Sprichwort „Nordwestwind trinken“. Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff auf Menschen, die so arm sind, dass sie nichts zu essen haben. Zukünftig dürfte dieses Sprichwort allerdings nicht mehr greifen, denn „Nordwestwind trinken“ kann richtig satt machen. Heute sprechen wir darüber, wie Kohlendioxid in Protein umgewandelt wird.

Im Biologieunterricht haben wir gelernt, dass Pflanzen durch Photosynthese Kohlendioxid und Wasser in der Luft in Stärke umwandeln können. Kann Kohlendioxid also auch Proteine ​​synthetisieren? Damals sagte der Lehrer nicht, dass Kohlendioxid auch Proteine ​​synthetisieren kann. Wie wir alle wissen, ist Protein eine wichtige Grundlage des Lebens und hat eine komplexe Struktur und Funktion. Ist die Umwandlung von Kohlendioxid in Protein zuverlässig?

Berichten zufolge hat eine Fabrik in Finnland mit der Produktion von Proteinen unter Verwendung von Kohlendioxid begonnen und erreicht eine Jahresproduktion von 160 Tonnen. Was bedeuten 160 Tonnen? Dies entspricht 22,85 Millionen Eiern (ein Ei enthält etwa 7 Gramm Eiweiß) oder 5.333 Tonnen Milch (Eiweißgehalt etwa 3 %). Rechnet man mit einem Proteinbedarf von 80 Gramm pro Person und Tag, so reicht diese Menge aus, um 5.500 Menschen ein Jahr lang zu ernähren.

Diese Daten sind möglicherweise übertrieben, aber die Technologie ist nicht neu. Auch in unserem Land wird entsprechende Forschung betrieben. Im September 2021 gelang dem Tianjin Institute of Industrial Biotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erstmals die künstliche Synthese von Stärke aus Kohlendioxid. Im selben Jahr gab auch das Futtermittelforschungsinstitut der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften bekannt, dass es Industrieabgase mit Kohlenmonoxid und Kohlendioxid sowie Ammoniakwasser als Hauptrohstoffe zur Herstellung einer neuen Futterproteinressource, nämlich Ethanol-Clostridium-Protein, verwenden werde.

Bei all der Aufregung: Wie wird Protein mithilfe von Kohlendioxid synthetisiert?

Obwohl die Struktur von Proteinen komplex ist, bestehen sie hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und geringen Mengen an Schwefel, Phosphor und anderen Elementen. Die beiden Elemente mit den größten Mengen sind Kohlenstoff und Sauerstoff, und Kohlendioxid besteht zufällig aus diesen beiden Elementen. Durch die Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung einer bestimmten Menge Wasserstoff und Sauerstoff sind die Grundrohstoffe nahezu fertig.

Geben Sie dann alle diese Rohstoffe in den Fermentationstank und fügen Sie spezielle Fermentationsbakterien hinzu, wie etwa stickstoffbindende Bakterien, Ethanol-Clostridium usw., und lassen Sie den Rest der Zeit überlassen. Der gesamte Prozess ähnelt ein wenig der Biergärung.

Allerdings erhält man bei dieser Methode eine proteinhaltige Mischung, deren Proteinanteil etwa 60–80 % beträgt. Durch wiederholtes Trennen und Reinigen dieser Mischung kann Protein-Trockenpulver gewonnen werden.

Sie fragen sich vielleicht: Was sind die Vorteile dieses Ansatzes? Ist das gewonnene Protein dasselbe wie das Protein, das wir normalerweise essen?

Lassen Sie uns zunächst über die Vorteile sprechen. Der erste Vorteil ist eine hohe Produktionseffizienz.

Im Vergleich zur herkömmlichen Methode der Proteingewinnung durch Anbau und Züchtung kann die Produktionseffizienz von aus Kohlendioxid synthetisiertem Protein um das 300- bis 2000-fache gesteigert werden. Dies liegt vor allem daran, dass Mikroorganismen schnell wachsen und sich vermehren, was den Produktionszyklus erheblich verkürzen kann.

Der zweite Vorteil ist die hohe Umwandlungseffizienz.

Zuvor hatte das Futtermittelforschungsinstitut der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften einen Durchbruch bei der Kerntechnologie für die Herstellung von Ethanol-Clostridium-Protein erzielt und dabei ein bedeutendes Ergebnis der einstufigen Biosynthese von Protein aus einem Kohlenstoffgas mit einer maximalen Ausbeute von 85 % erreicht. Die Umwandlungseffizienz ist fast 10-mal höher als bei der pflanzlichen Photosynthese. Das heißt, durch den Konsum von zwei Tonnen Kohlendioxid kann fast eine Tonne Protein produziert werden.

Der dritte Vorteil ist der Umweltschutz.

Derzeit gewinnen wir Proteine ​​hauptsächlich durch den Anbau und die Tierhaltung. Beide Methoden erfordern große Mengen an Land, fossilen Brennstoffen, Düngemitteln, Pestiziden und Wasser. Bei der Produktion herkömmlicher Proteine ​​wird nicht nur eine große Menge Kohlendioxid freigesetzt, was den Treibhauseffekt verstärkt, sondern es entsteht auch eine Umweltverschmutzung.

Die Proteinsynthese mithilfe von Kohlendioxid verbraucht nicht nur Kohlendioxid, sondern erfordert auch weniger Energie. Unter Berücksichtigung des gesamten Prozesses beträgt der Kohlenstoffausstoß theoretisch weniger als ein Prozent der herkömmlichen Methoden.

Natürlich gibt es noch einen weiteren Vorteil, den wir erwähnen müssen: Die Rohstoffe stammen aus einer größeren Bandbreite von Quellen.

Als Fermentationsrohstoffe kommen neben dem Kohlendioxid in der Luft auch landwirtschaftliche Abfälle wie Stroh, Bagasse, Rübenschnitzel, aber auch Industrieabfälle, industrielle und landwirtschaftliche Abwässer sowie anfallendes Rohöl, Diesel und Abgase in Frage. Das bereits erwähnte Team der Akademie der Landwirtschaftlichen Wissenschaften nutzte Industrieabgase, um eine jährliche Produktion von 5.000 Tonnen Proteinen für Futtermittel zu erzielen.

Derzeit haben nur wenige Länder die Verwendung von „Luftprotein“ in der Lebensmittelproduktion zugelassen. Singapur hat es beispielsweise in die Speiseeisbranche geschafft.

Aus rein ernährungsphysiologischer Sicht gibt es keinen großen Unterschied zwischen „Luftprotein“ und dem Protein in der Nahrung, die wir heute zu uns nehmen. Allerdings gibt es gewisse geschmackliche Unterschiede. In Zukunft können wir jedoch auch die Aminosäurezusammensetzung von Proteinen anpassen, indem wir die Arten und Gene von Fermentationsbakterien verändern, um den Bedürfnissen verschiedener Personengruppen gerecht zu werden.

Derzeit muss die Technologie zur Proteinsynthese aus Kohlendioxid noch weiter verbessert werden, und bis zu einer wirklichen Anwendung im großen Maßstab ist es noch ein weiter Weg. Diese Technologie ist jedoch nicht mehr durch Land, Umgebung, Niederschlag und Temperatur eingeschränkt. Protein kann überall produziert werden, solange Energie vorhanden ist.

Die Technologie zur Proteinsynthese durch Kohlendioxid kann als wirksame Ergänzung traditioneller Industrien dienen und die Nahrungsmittelkrise lindern. Darüber hinaus kann es die Vielfalt der Nahrungsmittel bereichern und zu neuartigen Lebensmitteln wie Kunstfleisch, Kunstmilch und pflanzlichen Lebensmitteln führen. Darüber hinaus kann „Kohlendioxidprotein“ auch in der Pharmaindustrie, der Tierhaltung, der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen eingesetzt werden. Insbesondere die Luft- und Raumfahrt. Diese Technologie könnte eine Nahrungsmittelgrundlage für das Weltraumprogramm der Menschheit schaffen. Stellen Sie sich vor: Der am häufigsten vorkommende Bestandteil der Marsatmosphäre ist Kohlendioxid, das ganze 95 % davon ausmacht. In Kombination mit ausreichend Sonnenenergie kann es den Mars-Einwanderern das notwendige Protein liefern. Darüber hinaus können Sie mit dieser Technologie in Zukunft, wenn Sie ins All reisen und die gewaltige Schönheit des Universums bewundern, jederzeit auch „frische“ Hamburger und Mapo Tofu genießen, die im Raumschiff hergestellt wurden. Was für ein wundervolles Leben das sein wird.

Autor: Zhang Yu

Gutachter: Song Yi, Außerordentlicher Professor, College für Lebensmittelwissenschaft und Ernährungstechnik, China Agricultural University Liang Qianjin, Professor, College für Biowissenschaften, Beijing Normal University

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.