Na łamach prestiżowego tygodnika naukowego „Science” naukowcy z Chińskiej Akademii Nauk donoszą o bezprecedensowym osiągnięciu. Udało im się opracować metodę syntezy skrobi z dwutlenku węgla bez udziału żywych organizmów.
Skrobia to węglowodan, który powszechnie występuje w organizmach roślin. Stanowi dla nich zapas energii (zwierzęta wykorzystują w tym celu glikogen). To właśnie bogate w skrobię rośliny – ziemniaki, ryż, kukurydza, czy pszenica – stanowią podstawę diety w wielu krajach. Są też ważnym źródłem skrobi dla przemysłu spożywczego.
Po raz pierwszy udało się pominąć proces fotosyntezy i uzyskać skrobię z dwutlenku węgla poza żywą komórką. Opracowany przez chińskich badaczy proces może pozwolić na jej produkcję metodą przemysłową. Otwiera też pole do syntezy wielu innych cennych związków z dwutlenku węgla.
Fotosynteza jest mało wydajna, a rolnictwo to marnotrawienie zasobów planety
Fotosynteza w roślinach – czyli proces produkcji węglowodanów z dwutlenku węgla i wody pod wpływem światła słonecznego – nie jest procesem prostym. Powstanie skrobi wymaga ciągu aż 60 różnych, czasem bardzo złożonych reakcji biochemicznych, zachodzących w roślinnych komórkach.
Rośliny muszą zachować delikatną równowagę między pochłanianiem dwutlenku węgla, a utratą wody. Fotosynteza nie jest też procesem szczególnie wydajnym. Szacuje się, że wykorzystuje zaledwie 1 do 2 proc. słonecznej energii. Roślinom to wystarcza, ale ludzkość ma coraz większe potrzeby.
Nie wszystkie części roślin są dla nas jadalne, a w umiarkowanych szerokościach geograficznych jesienią i zimą fotosynteza ustaje. Uprawa roślin „marnuje” więc znacznie więcej energii. Uprawa roślin z energetycznego punktu widzenia to marnotrawstwo słońca i powierzchni planety.
Bioreaktory zamiast upraw kukurydzy czy ziemniaków
Chińskim badaczom z Instytutu Biotechnologii Przemysłowej w Tianjin, należącego do Chińskiej Akademii Nauk, udało się opracować proces syntezy skrobi z dwutlenku węgla w zaledwie 11 reakcjach. To znacznie mniejsza liczba niż w komórkach roślin.
Proces też jest znacznie bardziej wydajny. Zużywa 8,5 razy mniej energii niż produkcja skrobi zachodząca w kukurydzy. – Roczna produkcja skrobi w bioreaktorze o objętości metra sześciennego teoretycznie odpowiadać będzie ilości skrobi uzyskiwanej z uprawy kukurydzy na powierzchni jednej trzeciej hektara – mówi Cai Tao, główny autor pracy opublikowanej w „Science”.
Po drodze do pokonania było wiele przeszkód. Niektóre reakcje chemiczne wymagają odpowiedniej temperatury, inne kwasowości, jeszcze inne światła. Część ubocznych produktów reakcji chemicznej może uniemożliwiać lub utrudniać kolejne reakcje. Zaplanowanie całego ciągu reakcji, w którym powstawać będą złożone cząsteczki, bywa bardzo trudne. Ale opracowanie tak złożonego procesu otwiera drogę do syntezy innych cennych związków z dwutlenku węgla.
Do produkcji żywności nie będziemy potrzebować roślin
Najważniejsze jednak wydaje się to, że droga do przemysłowej produkcji skrobi z dwutlenku węgla została otwarta. Nie będziemy potrzebować do tego roślin.
– Jeśli uda się ograniczyć koszty takiego procesu do poziomu porównywalnego z kosztami upraw rolnych, oczekujemy, że może to zaoszczędzić do 90 proc. ziemi zajętej dziś pod uprawy oraz podobną ilość wody wykorzystywanej do podlewania upraw – mówi Ma Yanhe, inny autor opublikowanej pracy.
Trudno policzyć inne korzyści z tym związane. Znaczną część Ziemi mogłyby znów zająć łąki i lasy. Zniknęłoby ryzyko nieurodzaju wskutek suszy czy powodzi, czy związane z przerwaniem łańcuchów dostaw. Produkcja syntetycznej skrobi zmniejszyłaby też wykorzystanie chemii rolniczej.
Syntetyczna skrobia z dwutlenku węgla. A co z białkiem? Wyprodukują je bakterie.
Fińska firma Solar Foods buduje fabrykę, która również chce produkować żywność „z powietrza”, choć przy pomocy bakterii. Z wodoru, dwutlenku węgla i azotu mają syntetyzować białko. Firma zamierza je sprzedawać jako tzw. soleinę. Jak twierdzi, do wyprodukowania jej kilograma potrzeba będzie tylko 10 litrów wody. W przypadku kilograma soi jest to 2,5 tys. litrów, a wołowiny – aż 15 tys. litrów.
Niedawno naukowcy na łamach czasopisma „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS) przekonywali, że białko produkowane przez bakterie rozwiązałoby inny problem. Na całym świecie wycinane są tropikalne lasy pod uprawę soi. Większość z niej nie trafia na nasze stoły, staje się składnikiem paszy dla zwierząt.
Gdyby wykorzystać dwutlenek węgla z powietrza i przetworzyć go na związki potrzebne bakteriom, te mogłyby stać się paszą dla zwierząt. Jak obliczali naukowcy w PNAS zapewniłoby to ludzkości tyle samo białka zwierzęcego, co przy obecnym systemie produkcji. Zajęłoby jednak tylko dziesiątą powierzchni potrzebnej dziś na uprawę soi.
Źródło: Science.