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Unser Reporter Gong Xiangjuan

Probe synthetischer Stärke. Foto von Cui Xinyao (People’s Vision)

Kernlektüre

Die Welt steht heute vor Herausforderungen wie Klimawandel, Ernährungssicherheit und Energieknappheit. Wie kann Kohlendioxid in Substanzen umgewandelt werden, die für den Menschen von Bedeutung sind und einen Marktwert haben? Das Projekt künstliche Stärke ist einer dieser Versuche. Das Tianjin Institute of Industrial Biotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erzielte 2018 einen Projektdurchbruch und führt seitdem weiterhin technologische Iterationen und Upgrades durch. Heutzutage beträgt die Syntheserate künstlicher Stärke das 8,5-fache der von Maisstärke, und je nach Bedarf kann eine gezielte und kontrollierbare Synthese verschiedener Stärkearten erreicht werden.

Die verträumte blaue Farbe erscheint!

In der Wirtschaftszone des Flughafens Tianjin im Tianjin-Institut für Industrielle Biotechnologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (im Folgenden als „Tianjin-Institut für Industrielle Biologie“ bezeichnet) wiederholt der F&E-Forscher Qiao Jing den täglichen experimentellen Prozess. Als tropfenweise Jodlösung in das Reagenzglas gegeben wurde, war Qiao Jing fassungslos: Das Reagenz nahm die lang erwartete Farbe an: „Obwohl das Blau sehr hell ist, bedeutet es, dass Stärke aufgetaucht ist!“ Qiao Jing erinnert sich an die Szene im Jahr 2018 und ist immer noch aufgeregt.

Ebenso begeistert ist Cai Tao, Projektmanager für künstliche Stärke am Tianjin Institute of Industrial Biology. Eine Zeit lang war er nicht überzeugt, also rannte er vom Konferenzraum zurück ins Labor und entwarf ein wiederholtes Experiment. Am nächsten Tag erschien „Starch Blue“ wie geplant. „Das ist großartig!“ Cai Tao war erleichtert und seine Kollegen hinter ihm klatschten.

Im Jahr 2021 veröffentlichte das Team für künstliche Stärke in der internationalen Fachzeitschrift Science, dass ein neues System zur Synthese von Stärke aus Wasser und Kohlendioxid durch die Kombination künstlicher Photosynthesereaktionen und katalytischer Reaktionen biologischer Enzyme konstruiert wurde. „Dies ist ein bahnbrechender Durchbruch, der einen transformativen Einfluss auf die nächste Generation der Bioproduktion und der landwirtschaftlichen Produktion haben wird“, kommentierte der Gutachter.

Der Ursprung des künstlichen Stärkeprojekts liegt in der Idee eines Hochgeschwindigkeitszuges. „Die heutige Welt steht vor Herausforderungen wie dem Klimawandel, der Ernährungssicherheit und der Verknappung von Energieressourcen. Wie kann man Kohlendioxid in Substanzen umwandeln, die für den Menschen von Bedeutung sind und einen Marktwert haben?“ Im Hochgeschwindigkeitszug zurück nach Tianjin von einer Geschäftsreise Diese Idee tauchte plötzlich am Tianjin Institute of Industrial Biology im Kopf des damaligen Direktors Ma Yanhe auf. Nach sorgfältiger Recherche und Beurteilung durch das Institut wurde das Projekt zur künstlichen Stärke im Jahr 2015 offiziell vorgeschlagen.

Als er die Einladung erhielt, eine Schlüsselaufgabe zu erforschen, war Cai Tao sowohl begeistert als auch besorgt. Synthetische Stärke ist theoretisch möglich, aber es gab bisher keine erfolgreichen Fälle. „Wir wollen das in Frage stellen, was andere nicht getan haben.“

In der Natur wandeln Nutzpflanzen wie Mais, Weizen und Kartoffeln durch Photosynthese Sonnenlichtenergie, Kohlendioxid und Wasser in Stärke um. Dieser natürliche Prozess erfordert jedoch große Mengen an Land- und Süßwasserressourcen und wird stark vom Wetter beeinflusst.

Können wir den Syntheseprozess natürlicher Stärke simulieren und mit technischen Mitteln eine künstliche Stärkesynthese erreichen?

„Unsere ursprüngliche Idee besteht darin, erneuerbare Energien zu nutzen, um Wasser zu zersetzen, um Elektronen oder Wasserstoff zu erzeugen, und dann die Elektronen oder den Wasserstoff zu nutzen, um Kohlendioxid in einfache Verbindungen wie Ameisensäure und Methanol zu reduzieren, und anschließend Enzyme zu verwenden, um die Polymerisation einfacher Verbindungen zu katalysieren.“ um Stärke zu produzieren.“ Cai Tao sagte, die künstliche Synthese von Stärke sei ein Experiment, um eine „Abkürzung“ zu finden.

In Nutzpflanzen erfordert die Stärkesynthese etwa 60 Schritte an Stoffwechselreaktionen. Soll eine industrielle Produktion erfolgen, müssen die Schritte vereinfacht werden. Das Team von Cai Taohe arbeitete mit einem auf biologisches Design spezialisierten Team innerhalb des Instituts zusammen, um 6.568 biochemische Reaktionen systematisch zu untersuchen und zu überprüfen, und entwarf den kürzesten künstlichen Stärkesyntheseweg ausgehend von Ameisensäure oder Methanol. Theoretisch kann Kohlendioxid Stärke durch nur 9 Hauptreaktionen synthetisieren. „Je weniger Schritte, desto weniger Probleme“, sagte Cai Tao.

Das Experiment dauerte drei Jahre, und allein die experimentellen Aufzeichnungen waren halb so hoch wie ein Mensch. Auch die Stimmung der Teammitglieder schwankte im Verlauf des Experiments weiter.

Was ist das Problem? „Es ist wie ein Fluss, der abgeschnitten ist. Man muss herausfinden, ob es sich um eine Blockade flussaufwärts oder um eine Gabelung des Flusses handelt. Nur wenn man den Kern herausfindet, kann das Problem gelöst werden.“ Das Experiment war „Enzyme“. Die meisten Reaktionen im Stärkesyntheseprozess erfordern Enzyme. Die Reaktionswege in der Natur haben sich durch langfristige natürliche Selektion entwickelt. Jedes Enzym kann sich anpassen und kooperieren, aber die künstlich gestalteten Reaktionswege sind unterschiedlich.

„Das gleiche Enzym kann oft mehrere Reaktionen katalysieren, die Nebenwirkungen verursachen können; manchmal konkurrieren mehrere Enzyme um ein Substrat, und einige Enzyme produzieren mehrere Produkte, um die „Widersprüche“ zwischen Enzymen in Einklang zu bringen.“ Institut, das auf Enzymforschung spezialisiert ist, und gemeinsam führten sie gezielte Transformationen von Enzymen oder künstlich entwickelte neue Enzyme durch, um den Enzymbedarf des künstlichen Weges für die Stärkesynthese zu decken.

Diskutieren, experimentieren, umwerfen, erneut diskutieren, erneut experimentieren ... Das Team versuchte, die durch die „Wasserstoffverbrennung“ in Methanol erzeugte Energie zu nutzen, um die Reaktion anzutreiben, bei der Formaldehyd entsteht, und löste so das Problem der Diskrepanz zwischen Thermodynamik und Kinetik in der Reaktion. und die 9 Hauptreaktionen entsprachen ebenfalls erweitert zu 11.

Die Anhäufung wissenschaftlicher Erkenntnisse dauert lange, aber Durchbrüche dauern manchmal nur einen Moment. Am Morgen des 24. Juli 2018 erhielt Cai Tao ein Bild von einem Teammitglied. Nachdem er es geöffnet hatte, sah Cai Tao das begehrte „Blau“.

„Aus heutiger Sicht handelt es sich lediglich um die Version 1.0 der synthetischen Stärke.“ Cai Tao sagte, dass das Team in den letzten Jahren iterative Upgrades der synthetischen Stärketechnologie abgeschlossen, die Stärkesyntheseleistung kontinuierlich verbessert und die Produktionsintensität von Stärke erhöht habe um das 136-fache im Vergleich zu Version 1.0, die Syntheserate von künstlicher Stärke ist 8,5-mal höher als die von Maisstärke, und die gerichtete und kontrollierbare Synthese verschiedener Stärkearten kann je nach Bedarf erreicht werden.

Nach Ansicht von Cai Tao besteht der größte Erfolg wissenschaftlicher Forschung darin, sie in die Praxis umzusetzen und zur Verbesserung des sozialen Wohlergehens beizutragen. „Als nächstes werden wir die Geschwindigkeit wissenschaftlicher Forschungsergebnisse vom Labor bis zur industriellen Anwendung beschleunigen und technologische Kreationen ermöglichen.“ „ein neues Bild von Wissenschaft und Technologie, das den Menschen zugute kommt“, sagte Cai Tao.

Koordinator dieser Ausgabe: Chen Shihan

Layoutdesign: Cai Huawei

„People's Daily“ (Seite 04, 06. August 2024)