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ゴン・シャンジュアン記者

合成デンプンのサンプル。 写真提供：Cui Xinyao (People's Vision)

コアリーディング

今日、世界は気候変動、食糧安全保障、エネルギー資源不足などの課題に直面しています。二酸化炭素を人間にとって意味のある、市場価値のある物質に変換するにはどうすればよいでしょうか。人工デンプンプロジェクトもその試みの一つです。中国科学院天津産業バイオテクノロジー研究所は、2018 年にプロジェクトの画期的な成果を達成し、それ以来、技術の反復とアップグレードを継続して行っています。現在、人造デンプンの合成速度はコーンスターチの 8.5 倍であり、必要に応じてさまざまな種類のデンプンを方向性を持って制御可能な合成を実現できます。

夢のようなブルー​​カラーが登場！

天津空港経済区にある中国科学院天津産業生物工学研究所（以下、天津産業生物研究所）では、研究開発研究員の喬静氏が日々の実験プロセスを繰り返している。試験管にヨウ素溶液を一滴ずつ加えたとき、Qiao Jing さんは驚愕せずにはいられませんでした。試薬は待望の色に変わりました。「青色は非常に薄いですが、これはでんぷんが現れたことを意味します!」 2018年の光景を思い出しながら、Qiao Jingは今でも興奮しています。

天津産業生物学研究所の人工デンプンのプロジェクトマネージャー、Cai Tao 氏も同様に興奮しています。彼はしばらく納得できなかったので、会議室から研究室まで走って戻り、繰り返しの実験を計画しました。翌日、「スターチブルー」は予定通り登場し、「よかった！」と笑顔を浮かべたカイタオさんは安堵し、後ろにいた同僚たちは拍手と歓声を上げた。

人工デンプン研究チームは2021年、人工光合成反応と生物学的酵素触媒反応を組み合わせて、水と二酸化炭素からデンプンを合成する新たなシステムを構築したと国際誌サイエンスに発表した。 「これは次世代のバイオ製造と農業生産に変革的な影響を与える画期的な進歩である」と査読者はコメントした。

人造澱粉プロジェクトの原点は、高速鉄道の車内での思考から始まりました。 「今日の世界は、気候変動、食糧安全保障、エネルギー資源不足などの課題に直面しています。出張から天津に戻る高速鉄道の中で、二酸化炭素を人間にとって意味のある、市場価値のある物質に変換するにはどうすればよいでしょうか?」 、このアイデアは天津産業生物学研究所で当時の所長馬延和氏の頭の中に突然現れました。同研究所による慎重な調査と判断を経て、人工デンプンプロジェクトは2015年に正式に提案された。

この重要な課題に取り組むよう招待を受けたとき、Cai Tao 氏は興奮と不安の両方を感じました。合成デンプンは理論的には可能ですが、これまでに成功した例はありません。「私たちは他社がやっていないことに挑戦したいのです。」

自然界では、トウモロコシ、小麦、ジャガイモなどの作物は、光合成によって太陽光エネルギー、二酸化炭素、水をデンプンに変換します。しかし、この自然なプロセスには大量の土地と淡水資源が必要であり、天候に大きく影響されます。

天然デンプンの合成プロセスをシミュレートし、技術的手段によって人工デンプン合成を達成することはできるでしょうか?

「私たちの最初のアイデアは、再生可能エネルギーを使用して水を分解して電子または水素を生成し、その電子または水素を使用して二酸化炭素をギ酸やメタノールなどの単純な化合物に還元し、さらに酵素を使用して単純な化合物の重合を触媒することです。でんぷんを生産するためです」と蔡濤氏は言い、人工合成でんぷんは「近道」を見つけるための実験だという。

作物では、デンプンの合成には約 60 段階の代謝反応が必要です。工業生産を行う場合には、工程を簡略化する必要がある。 Cai Taoheのチームは、研究所内の生物学的設計を専門とするチームと協力して、6,568の生化学反応を体系的にマイニングおよびスクリーニングし、ギ酸またはメタノールから始まる最短の人工デンプン合成ルートを設計した。理論的には、二酸化炭素はわずか 9 つの主要な反応を通じてデンプンを合成できます。 「手順が減れば、問題も減ります。」とカイタオ氏は言いました。

実験は3年間続き、実験記録だけでも人の半分ほどの高さに積み上げられたが、実験の過程に伴ってチームメンバーの気分も変動し続けた。

どうしたの？ 「それは寸断された川のようなものだ。上流での詰まりなのか、それとも川の分岐なのかを突き止めなければならない。核心を明らかにすることによってのみ、問題は解決できる。この実験で最も顕著な問題は」と蔡濤氏は語った。それは「酵素」でした。デンプン合成プロセスにおけるほとんどの反応には酵素が必要です。自然界の反応経路は長期にわたる自然選択によって進化してきましたが、人工的に設計された反応経路は異なります。

「同じ酵素が複数の反応を触媒することが多く、それが副作用を引き起こす可能性があります。時には複数の酵素が基質をめぐって競合し、一部の酵素が複数の生成物を生成することもあります。酵素間の「矛盾」を調整するために、Cai Tao 氏は専門のチームを見つけました。研究所の酵素は協力して、酵素の標的変換を実行したり、デンプン合成の人工経路の酵素ニーズを満たす新しい酵素を人工的に設計したりしました。

議論し、実験し、ひっくり返し、再び議論し、再び実験...チームは、メタノール中での「水素燃焼」によって生成されるエネルギーを使用して、ホルムアルデヒドを生成する反応を駆動し、反応における熱力学と速度論の間の不一致の問題を解決しようとしました。 9 つの主な反応も 11 に拡張されました。

科学の蓄積には長い時間がかかりますが、ブレークスルーは一瞬で終わることもあります。 2018年7月24日の朝、カイタオさんはチームメンバーから写真を受け取りました。開けてみると、カイタオは憧れの「青」を目にしました。

「今見ると、それは合成デンプンのバージョン 1.0 に過ぎません。」と Cai Tao 氏は、過去数年間でチームは合成デンプン技術の反復的なアップグレードを完了し、デンプン合成の生産量を継続的に改善し、デンプンの生産強度を高めたと述べました。バージョン 1.0 と比較して 136 倍、人工デンプンの合成速度はコーンスターチの 8.5 倍であり、必要に応じて異なる種類のデンプンの方向性と制御可能な合成を実現できます。

蔡濤氏の見解では、科学研究の最大の成功は、それを実践し、社会福祉の向上に貢献できることである。「次に、科学研究の成果を実験室から産業応用まで加速し、技術的創造を引き出します。」人々に利益をもたらす科学技術の新たな姿を描いた」とカイタオ氏は語った。

今回のコーディネーター：陳師漢

レイアウトデザイン：蔡華為

『人民日報』（2024年8月6日04面）