Atmosphäre nutzen, um Teigtaschenverpackungen herzustellen? Die neuesten Forschungsergebnisse chinesischer Wissenschaftler sind ziemlich erstaunlich!

Chinesische Wissenschaftler haben kürzlich erstmals über einen vollständigen Weg zur Synthese künstlicher Stärke aus Kohlendioxid (CO₂) berichtet. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Dieser neue Prozessweg ermöglicht die Umstellung der Stärkeproduktion vom traditionellen landwirtschaftlichen Anbau auf die industrielle Fertigung und eröffnet einen neuen technischen Weg zur Synthese komplexer Moleküle aus CO2.

Stärke ist Hauptbestandteil von Lebensmitteln und ein wichtiger Industrierohstoff. Derzeit wird es hauptsächlich von Nutzpflanzen wie Mais produziert, die durch Photosynthese CO2 binden. Dieser Prozess umfasst etwa 60 biochemische Reaktionen und komplexe physiologische Regulierungen. Der theoretische Energieumwandlungswirkungsgrad dieses Prozesses beträgt nur etwa 2 %.

Um die großen Herausforderungen der Menschheit wie die Nahrungsmittelkrise und den Klimawandel zu bewältigen, sind Strategien zur nachhaltigen Stärkeversorgung und CO₂-Nutzung dringend erforderlich. Die Entwicklung neuer Wege zur Umwandlung von CO₂ in Stärke abseits der pflanzlichen Photosynthese ist eine wichtige innovative wissenschaftliche und technologische Aufgabe und wird in der heutigen Welt zu einer wichtigen disruptiven Technologie werden.

Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler des Tianjin Institute of Industrial Biotechnology (TIB) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ein chemisches Enzymsystem und einen künstlichen Stoffwechselweg zur Stärkesynthese entwickelt, der aus nur 11 Kernreaktionen besteht, um CO2 in Stärke umzuwandeln.

Dieser Weg wurde über eine „Baustein“-Strategie etabliert, bei der die Forscher chemische und biokatalytische Module integrierten, um hohe Energiedichten und hohe CO₂-Konzentrationen auf biotechnologisch innovative Weise zu nutzen.

Die Forscher optimierten dieses Hybridsystem systematisch durch räumliche und zeitliche Trennung, indem sie sich mit Problemen wie Substratkonkurrenz, Produkthemmung und thermodynamischer Anpassung befassten.

Auf künstlichem Wege kann Stärke aus CO₂ produziert werden, und zwar 8,5-mal effizienter als die Stärkebiosynthese im Mais. Dies stellt einen großen Schritt in Richtung Überlegenheit gegenüber der Natur dar. Es bietet eine neue wissenschaftliche Grundlage für die Schaffung biologischer Systeme mit beispiellosen Fähigkeiten.

„Nach den aktuellen technischen Parametern entspricht der jährliche Stärkeertrag eines Kubikmeters Bioreaktor ohne Berücksichtigung des Energieeinsatzes theoretisch dem jährlichen Stärkeertrag beim Anbau von einem Drittel Hektar Mais“, sagte Cai Tao, der Erstautor der Studie. Forschung.

Diese Arbeit wird einen Einblick in die industrielle Produktion von Stärke aus CO₂ geben.

„Wenn die Gesamtkosten des Verfahrens auf ein Niveau gesenkt werden können, das wirtschaftlich mit dem landwirtschaftlichen Anbau in der Zukunft vergleichbar ist, können voraussichtlich mehr als 90 Prozent des Ackerlandes und der Süßwasserressourcen eingespart werden“, sagte Ma Yanhe, der korrespondierende Autor der Studie.

Darüber hinaus wird es dazu beitragen, die negativen Umweltauswirkungen des Einsatzes von Pestiziden und Düngemitteln zu vermeiden, die menschliche Ernährungssicherheit zu verbessern, eine kohlenstoffneutrale Bioökonomie zu fördern und letztlich zur Bildung einer nachhaltigen Biogesellschaft beizutragen.

Seit 2015 konzentriert sich die TIB auf die Biosynthese künstlicher Stärke und die Nutzung von CO₂. Sie führt diese bedarfsorientierte wissenschaftliche und technologische Forschung durch, bündelt verschiedene innovative Ressourcen, stärkt die Integration von „Disziplinen, Aufgaben und Plattformen“ und erreicht eine effektive Koordinierung der Forschungsarbeiten.