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Il nostro giornalista Gong Xiangjuan

Campione di amido sintetico. Foto di Cui Xinyao (Visione della gente)

lettura fondamentale

Il mondo oggi si trova ad affrontare sfide come il cambiamento climatico, la sicurezza alimentare e la carenza di risorse energetiche. Come convertire l’anidride carbonica in sostanze che siano significative per l’uomo e abbiano un valore di mercato? Il progetto dell’amido artificiale è uno di questi tentativi. L'Istituto di biotecnologia industriale di Tianjin, Accademia cinese delle scienze, ha realizzato un progetto rivoluzionario nel 2018 e da allora ha continuato a effettuare iterazioni e aggiornamenti tecnologici. Oggi, il tasso di sintesi dell’amido artificiale è 8,5 volte quello dell’amido di mais e la sintesi direzionale e controllabile di diversi tipi di amido può essere ottenuta secondo necessità.

Appare il colore blu da sogno!

Nella zona economica dell'aeroporto di Tianjin, presso l'Istituto di biotecnologia industriale di Tianjin, Accademia cinese delle scienze (di seguito denominato "Istituto di biologia industriale di Tianjin"), il ricercatore di ricerca e sviluppo Qiao Jing sta ripetendo il processo sperimentale quotidiano. Quando goccia a goccia fu aggiunta una soluzione di iodio nella provetta, Qiao Jing non poté fare a meno di rimanere sbalordito: il reagente si trasformò nel colore tanto atteso: "Sebbene il blu sia molto chiaro, significa che è apparso l'amido!" Ricordando la scena del 2018, Qiao Jing è ancora Eccitato.

Altrettanto entusiasta è Cai Tao, project manager dell'amido artificiale presso l'Istituto di biologia industriale di Tianjin. Per un po' non ne fu convinto, così dalla sala conferenze corse indietro al laboratorio e progettò un esperimento ripetuto. Il giorno successivo, "Starch Blue" è apparso come previsto. "È fantastico!" Cai Tao si è sentito sollevato e un sorriso si è diffuso sul suo viso.

Nel 2021, il team dell'amido artificiale ha pubblicato sulla rivista internazionale Science che un nuovo sistema per sintetizzare l'amido da acqua e anidride carbonica è stato costruito combinando reazioni fotosintetiche artificiali e reazioni catalitiche di enzimi biologici. "Si tratta di una svolta fondamentale che avrà un impatto trasformativo sulla prossima generazione di bioproduzione e produzione agricola", ha commentato il revisore.

L'origine del progetto dell'amido artificiale è nata dalla riflessione su un treno ad alta velocità. "Il mondo di oggi si trova ad affrontare sfide come il cambiamento climatico, la sicurezza alimentare e la carenza di risorse energetiche. Come convertire l'anidride carbonica in sostanze che siano significative per l'uomo e abbiano un valore di mercato?" Sul treno ad alta velocità di ritorno a Tianjin da un viaggio d'affari , questa idea è apparsa improvvisamente all'Istituto di biologia industriale di Tianjin nella mente dell'allora direttore Ma Yanhe. Dopo un'attenta ricerca e giudizio da parte dell'istituto, il progetto dell'amido artificiale è stato proposto ufficialmente nel 2015.

Quando ha ricevuto l'invito ad affrontare il compito chiave, Cai Tao era allo stesso tempo emozionato e preoccupato. L'amido sintetico è teoricamente possibile, ma prima non si sono verificati casi di successo. "Vogliamo sfidare ciò che gli altri non hanno fatto".

In natura, colture come mais, grano e patate convertono l’energia solare, l’anidride carbonica e l’acqua in amido attraverso la fotosintesi. Ma questo processo naturale richiede grandi quantità di terra e risorse di acqua dolce ed è fortemente influenzato dalle condizioni meteorologiche.

Possiamo simulare il processo di sintesi dell'amido naturale e ottenere la sintesi dell'amido artificiale attraverso mezzi tecnici?

"La nostra idea iniziale è quella di utilizzare l'energia rinnovabile per decomporre l'acqua per produrre elettroni o idrogeno, quindi utilizzare gli elettroni o l'idrogeno per ridurre l'anidride carbonica in composti semplici come acido formico e metanolo, e utilizzare ulteriormente enzimi per catalizzare la polimerizzazione di composti semplici per produrre amido." Cai Tao ha detto, la sintesi artificiale dell'amido è un esperimento per trovare una "scorciatoia".

Nelle colture, la sintesi dell'amido richiede circa 60 fasi di reazioni metaboliche. Se si vuole realizzare la produzione industriale, i passaggi devono essere semplificati. Il team di Cai Taohe ha collaborato con un team specializzato in progettazione biologica all'interno dell'istituto per estrarre e analizzare sistematicamente 6.568 reazioni biochimiche e ha progettato il percorso più breve di sintesi artificiale dell'amido a partire dall'acido formico o dal metanolo. Teoricamente, l'anidride carbonica può sintetizzare l'amido attraverso solo 9 reazioni principali. "Meno passi, meno problemi", ha detto Cai Tao.

L'esperimento è durato tre anni e solo i record sperimentali erano impilati la metà dell'altezza di una persona. Anche l'umore dei membri del team ha continuato a fluttuare insieme al processo sperimentale.

Qual è il problema? "È come un fiume che viene interrotto. Bisogna scoprire se si tratta di un blocco a monte o di una biforcazione del fiume. Solo chiarendo il punto cruciale il problema può essere risolto." Cai Tao ha affermato che è il problema più importante nell'esperimento era "enzimi". La maggior parte delle reazioni nel processo di sintesi dell’amido richiedono enzimi. I percorsi di reazione in natura si sono evoluti attraverso la selezione naturale a lungo termine. Ciascun enzima può adattarsi e cooperare, ma i percorsi di reazione progettati artificialmente sono diversi.

"Lo stesso enzima può spesso catalizzare reazioni multiple, che possono causare effetti collaterali; a volte più enzimi competono per un substrato e alcuni enzimi producono più prodotti." Per conciliare le "contraddizioni" tra gli enzimi, Cai Tao ha trovato un team specializzato enzimi presso l'istituto e hanno lavorato insieme per effettuare trasformazioni mirate di enzimi o progettare artificialmente nuovi enzimi per soddisfare le esigenze enzimatiche del percorso artificiale per la sintesi dell'amido.

Discutere, sperimentare, ribaltare, discutere ancora, sperimentare ancora... Il team ha provato a utilizzare l'energia generata dalla "combustione dell'idrogeno" nel metanolo per guidare la reazione che produce formaldeide, risolvendo il problema della mancata corrispondenza tra termodinamica e cinetica nella reazione, e le 9 reazioni principali corrispondevano anche a 11.

L’accumulazione della scienza richiede molto tempo, ma le scoperte a volte richiedono solo un momento. La mattina del 24 luglio 2018, Cai Tao ha ricevuto una foto da un membro della squadra. Dopo averlo aperto, Cai Tao vide l'ambito "blu".

"Guardandola ora, è solo la versione 1.0 dell'amido sintetico." Cai Tao ha affermato che negli ultimi anni il team ha completato aggiornamenti iterativi della tecnologia dell'amido sintetico, migliorato continuamente la produzione di sintesi dell'amido e aumentato l'intensità di produzione dell'amido. di 136 volte rispetto alla versione 1.0., il tasso di sintesi dell'amido artificiale è 8,5 volte quello dell'amido di mais e la sintesi direzionale e controllabile di diversi tipi di amido può essere ottenuta secondo necessità.

Secondo Cai Tao, il più grande successo della ricerca scientifica è essere in grado di metterla in pratica e contribuire a migliorare il benessere sociale. "Poi, accelereremo la velocità dei risultati della ricerca scientifica dal laboratorio all'applicazione industriale e lasceremo che le creazioni tecnologiche si sviluppino una nuova immagine della scienza e della tecnologia a beneficio delle persone." ." ha detto Cai Tao.

Coordinatore di questo numero: Chen Shihan

Progettazione del layout: Cai Huawei

"Quotidiano del popolo" (Pagina 04, 06 agosto 2024)