Von 0 auf 1: Chinesische Wissenschaftler haben erstmals eine künstliche Synthese von Stärke im Labor erreicht

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Li Lei

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Vor kurzem hat das Tianjin Institute of Industrial Biotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften bedeutende Durchbrüche bei der künstlichen Stärkesynthese erzielt und die weltweit erste De-novo-Synthese von Stärke aus Kohlendioxid durchgeführt. Die entsprechende Arbeit wurde am 24. September 2021 im internationalen Top-Journal Science veröffentlicht.

Stärke ist der Hauptbestandteil von Getreide. Ist es mit dieser Technologie möglich, von nichts zu leben?

Welche Auswirkungen wird der Durchbruch in der Technologie zur künstlichen Stärkesynthese mit Kohlendioxid auf die Zukunft haben und wie wichtig ist er?

Werfen wir zunächst einen Blick auf die offizielle Auswertung:
Dies ist ein weiterer bedeutender und bahnbrechender Durchbruch chinesischer Wissenschaftler bei der künstlichen Synthese von Stärke, nachdem es ihnen in den 1960er Jahren weltweit erstmals gelungen war, kristallines Rinderinsulin künstlich zu synthetisieren. Es ist das erste Mal weltweit, dass die Neusynthese von Stärke aus Kohlendioxid in einem Labor gelingt.

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Das größte Merkmal dieser Synthese ist, dass sie keine Zellen verwendet (zellfrei). In der Natur wandeln Zellen durch Photosynthese Kohlendioxid in Stärke um.

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Das Problem bei der Photosynthese besteht jedoch darin, dass Chloroplasten erforderlich sind. Von der überwiegenden Mehrheit der Organismen auf der Erde sind dazu nur Pflanzen und einige Tiere in der Lage.

Das Merkmal dieser Forschung ist: reine Industrie-/Laborsynthese.

Der Fahrplan für diese Forschung sieht wie folgt aus:

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Kurz gesagt läuft das Experiment wie folgt ab:

Zunächst wird Kohlendioxid mithilfe eines anorganischen Katalysators zu Methanol reduziert, dann wird Methanol in drei Kohlenstoffe umgewandelt, dann werden die drei Kohlenstoffe zu sechs Kohlenstoffen synthetisiert und schließlich werden sie zu Stärke polymerisiert.

Im Vergleich zu herkömmlicher natürlicher Stärke ist die Struktur grundsätzlich dieselbe.

Sowohl der Absorptionspeak als auch das NMR-Signal beweisen, dass diese synthetische Stärke der natürlichen Stärke sehr nahe kommt.

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Das Bild unten ist ein echtes Bild von synthetischer Stärke (Foto bereitgestellt von der Science and Technology Photography Alliance der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

Wie wichtig ist künstliche Stärke?

Beginnen wir von klein nach groß:

1. Einfache Schritte

In der Natur sind etwa 60 biochemische Reaktionen und komplexe physiologische Regelungen erforderlich, damit Organismen aus Kohlendioxid Stärke synthetisieren können. Für diese künstliche Synthese sind jedoch nur 11 Schritte erforderlich.

2. Schnelle Geschwindigkeit und hohe Effizienz

Die Geschwindigkeit dieser Laborsynthese ist 8,5-mal höher als die von Maisstärke.

Theoretisch entspricht die jährliche Stärkeproduktion eines 1-Kubikmeter-Bioreaktors der jährlichen Stärkeproduktion von 5 Mu Maisfeldern in meinem Land.

Dieser neue Weg ermöglicht die Umstellung der Stärkeproduktion vom traditionellen landwirtschaftlichen Anbau auf die industrielle Fertigung und eröffnet einen neuen technologischen Weg zur Synthese komplexer Moleküle aus Kohlendioxid.

Darüber hinaus wird auch eine hohe Syntheseeffizienz berichtet. Die Effizienz der Stärkesynthese in der Natur beträgt etwa 2 % (Mais), während die Effizienz der industriellen Synthese über 10 % erreichen kann.

3. Vision

Nahrung ist das Grundbedürfnis der Menschen. Landwirtschaftliche Fragen standen schon immer im Zusammenhang mit Leben und Tod der Menschheit. Der Einsatz dieser synthetischen Methode kann das Problem des für die Landwirtschaft benötigten Ackerlandes und der Süßwasserressourcen lösen, den Einsatz von Pestiziden und Düngemitteln vermeiden und die Ernährungssicherheit verbessern.

Die landwirtschaftlich genutzte Fläche meines Landes beträgt mehr als 1,5 Millionen Quadratkilometer und macht etwa 16 % der Landesfläche aus, also weniger als ein Fünftel. Die restliche Landfläche kann nicht als Ackerland genutzt werden, was das Ernährungsproblem unseres Landes noch verschärft hat.

Mit dieser Technologie können Gebirgstäler, Wüsten und Eisfelder zu landwirtschaftlichen Produktionsgebieten werden.

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Seit der Antike erfordert das Wassertransportsystem meines Landes einen sehr regen Transport von Getreide und anderen Materialien. Mithilfe dieser Technologie kann an vielen Orten, an denen keine Bedingungen für den Anbau von Nutzpflanzen bestehen, direkt Stärke produziert werden.

4. Treibhausproblem, globale Erwärmung

Man kann sagen, dass die globale Erwärmung ein Problem ist, das die gesamte Menschheit seit Jahren plagt.

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Der Hauptfaktor für die globale Erwärmung ist das Treibhausgas Kohlendioxid.

Industrielle Produktion, Autoabgase usw. sind alles Faktoren, die zum Anstieg des Kohlendioxidausstoßes führen. Obwohl Pflanzen kontinuierlich Kohlendioxid fixieren, sind ihre Kohlendioxidemissionen noch immer nicht so hoch.

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Mit dieser Technologie kann Kohlendioxid direkt fixiert werden, was wesentlich effizienter ist als in der Landwirtschaft und im Pflanzenbau. Würde das nicht das Treibhausgasproblem lösen?

5. Die fernere Zukunft

Die Raumstation und sogar die Reise ins Weltall sind garantiert.

In der Vergangenheit haben wir uns für das Problem der Weltraumreisen über weite Strecken zwei Lösungen vorgestellt: Die eine besteht darin, genügend Nahrung mitzunehmen; die andere besteht darin, die Menschen in den Winterschlaf zu versetzen, um den Energieverbrauch zu senken.

Aber solange Sie wach sind, brauchen Sie immer etwas zu essen.

In vielen Science-Fiction-Filmen gibt es Szenen, in denen Außerirdische Landwirtschaft betreiben, wie beispielsweise in „Der Marsianer“, wo sie zum Mars fliegen, um Kartoffeln anzubauen.

Bildquelle: Standbilder aus Der Marsianer

Wenn wir über die Technologie zur künstlichen Synthese von Stärke verfügen, können diese Probleme gut gelöst werden. Sogar auf unfruchtbarem Land kann Stärke direkt synthetisiert werden, solange Kohlendioxid und verwandte Materialien vorhanden sind.

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Die Atmosphäre des Mars beispielsweise besteht zu 96 % hauptsächlich aus Kohlendioxid und ist somit eine neue Kornkammer.

Darüber hinaus ist Kohlendioxid selbst ein Abfallprodukt des menschlichen Stoffwechsels und kann direkt recycelt werden.

6. Eine Frage: Energie!

Die Umwandlung von Stärke in Kohlendioxid ist ein Prozess der allmählichen Energiefreisetzung.

Glukose wird dann in Kohlendioxid umgewandelt

Dieser Schritt entspricht dem Schwimmen gegen den Strom, was Energie erfordert.

Woher kommt also die Energie?

Dies kann neue Energie erfordern. Derzeit entwickelt mein Land auch aktiv neue Energien, insbesondere die Kernenergie, und hofft, innerhalb von 50 Jahren eine kontrollierte Kernfusion zu erreichen.

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Hervorzuheben ist, dass sich die aktuellen Forschungsergebnisse noch im Laborstadium befinden und diese Technologie noch weit von der Anwendung entfernt ist.

Aber diese Technologie stellt einen Durchbruch von 0 auf 1 dar und ihre Bedeutung liegt auf der Hand. So wie Faraday, als er das Phänomen der elektromagnetischen Induktion entdeckte, einmal von einer edlen Dame gefragt wurde: „Wozu dient Elektrizität?“

Faraday stellte klug die Frage: „Wozu sind Neugeborene gut?“