Новости

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Наш репортер Гун Сянцзюань

Образец синтетического крахмала. Фото Цуй Синьяо (People’s Vision)

основное чтение

Сегодня мир сталкивается с такими проблемами, как изменение климата, продовольственная безопасность и нехватка энергетических ресурсов. Как преобразовать углекислый газ в вещества, которые имеют смысл для человека и имеют рыночную стоимость? Проект искусственного крахмала — одна из таких попыток. Тяньцзиньский институт промышленной биотехнологии Китайской академии наук добился прорыва в проекте в 2018 году и с тех пор продолжает проводить технологические итерации и модернизации. Сегодня скорость синтеза искусственного крахмала в 8,5 раз превышает скорость синтеза кукурузного крахмала, а направленный и контролируемый синтез различных типов крахмала может быть достигнут по мере необходимости.

Появляется мечтательный синий цвет!

В экономической зоне аэропорта Тяньцзинь, в Тяньцзиньском институте промышленной биотехнологии Китайской академии наук (далее именуемом «Тяньцзиньский институт промышленной биологии»), научный сотрудник Цяо Цзин повторяет ежедневный экспериментальный процесс. Когда в пробирку по капле добавляли раствор йода, Цяо Цзин не мог не ошеломиться: реагент приобрел долгожданный цвет: «Хотя синий цвет очень светлый, это означает, что появился крахмал!» Вспоминая сцену 2018 года, Цяо Цзин все еще взволнован.

Не менее взволнован Цай Тао, руководитель проекта искусственного крахмала в Тяньцзиньском институте промышленной биологии. Некоторое время его это не убедило, поэтому он побежал обратно в лабораторию из конференц-зала и разработал повторный эксперимент. На следующий день «Синий Крахмал» появился, как и было запланировано: «Это здорово!» Цай Тао почувствовал облегчение с улыбкой на лице, а его коллеги позади него аплодировали и подбадривали.

В 2021 году группа разработчиков искусственного крахмала опубликовала в международном журнале Science информацию о том, что новая система синтеза крахмала из воды и углекислого газа была создана путем объединения искусственных фотосинтетических реакций и каталитических реакций биологических ферментов. «Это знаковый прорыв, который окажет преобразующее влияние на следующее поколение биопроизводства и сельскохозяйственного производства», — прокомментировал рецензент.

Идея создания искусственного крахмала возникла в результате размышлений в высокоскоростном поезде. «Сегодняшний мир сталкивается с такими проблемами, как изменение климата, продовольственная безопасность и нехватка энергетических ресурсов. Как превратить углекислый газ в вещества, которые имеют смысл для человека и имеют рыночную стоимость?» На скоростном поезде обратно в Тяньцзинь из командировки?» Эта идея внезапно возникла в Тяньцзиньском институте промышленной биологии в голове тогдашнего директора Ма Яньхэ. После тщательного исследования и оценки института проект искусственного крахмала был официально предложен в 2015 году.

Когда он получил приглашение заняться ключевой задачей, Цай Тао был одновременно взволнован и обеспокоен. Синтетический крахмал теоретически возможен, но раньше не было успешных случаев: «Мы хотим бросить вызов тому, чего не сделали другие».

В природе такие культуры, как кукуруза, пшеница и картофель, посредством фотосинтеза преобразуют энергию солнечного света, углекислый газ и воду в крахмал. Но этот естественный процесс требует больших объемов земли и ресурсов пресной воды и сильно зависит от погоды.

Можем ли мы смоделировать процесс синтеза природного крахмала и добиться синтеза искусственного крахмала техническими средствами?

«Наша первоначальная идея состоит в том, чтобы использовать возобновляемую энергию для разложения воды с образованием электронов или водорода, а затем использовать электроны или водород для восстановления углекислого газа до простых соединений, таких как муравьиная кислота и метанол, а затем использовать ферменты для катализа полимеризации простых соединений. для производства крахмала». Цай Тао сказал, что искусственный синтез крахмала — это эксперимент по поиску «короткого пути».

В сельскохозяйственных культурах синтез крахмала требует примерно 60 стадий метаболических реакций. Если планируется осуществлять промышленное производство, необходимо упростить этапы. Команда Цая Таохэ сотрудничала с командой, специализирующейся на биологическом дизайне в рамках института, чтобы систематически исследовать и проверять 6568 биохимических реакций, а также разработала кратчайший путь синтеза искусственного крахмала, начиная с муравьиной кислоты или метанола. Теоретически углекислый газ может синтезировать крахмал всего за 9 основных реакций. «Чем меньше шагов, тем меньше проблем», — сказал Цай Тао.

Эксперимент длился три года, и одни только экспериментальные пластинки были уложены в высоту в два раза меньше человека. Настроение членов команды также продолжало колебаться вместе с экспериментальным процессом.

В чем проблема? «Это похоже на отрезанную реку. Вам нужно выяснить, является ли это завалом вверх по течению или раздвоением реки. Только прояснив суть, можно решить проблему», — сказал Цай Тао, самая заметная проблема в эксперименте. были «ферментами». Для большинства реакций в процессе синтеза крахмала требуются ферменты. Пути реакций в природе возникли в результате длительного естественного отбора. Каждый фермент может адаптироваться и сотрудничать, но искусственно созданные пути реакции различны.

«Один и тот же фермент часто может катализировать несколько реакций, что может вызывать побочные эффекты; иногда несколько ферментов конкурируют за субстрат, и некоторые ферменты производят несколько продуктов». Чтобы примирить «противоречия» между ферментами, Цай Тао нашел команду, специализирующуюся на них. ферментов в институте и вместе работали над целенаправленной трансформацией ферментов или искусственным созданием новых ферментов для удовлетворения потребностей в ферментах искусственного пути синтеза крахмала.

Обсуждайте, экспериментируйте, переворачивайте, обсуждайте снова, экспериментируйте снова... Команда попыталась использовать энергию, вырабатываемую при «сгорании водорода» в метаноле, для запуска реакции, в результате которой образуется формальдегид, решая проблему несоответствия между термодинамикой и кинетикой реакции. а 9 основных реакций также соответствовали расширенной 11.

Накопление научных знаний занимает много времени, но прорывы иногда занимают лишь мгновение. Утром 24 июля 2018 года Цай Тао получил фотографию от члена команды. Открыв его, Цай Тао увидел вожделенную «синюю».

«Глядя на это сейчас, это всего лишь версия 1.0 синтетического крахмала». Цай Тао сказал, что за последние несколько лет команда завершила итеративные обновления технологии синтетического крахмала, постоянно улучшала производительность синтеза крахмала и увеличивала интенсивность производства крахмала. в 136 раз по сравнению с версией 1.0, скорость синтеза искусственного крахмала в 8,5 раз выше, чем у кукурузного крахмала, и при необходимости можно достичь направленного и контролируемого синтеза различных типов крахмала.

По мнению Цай Тао, величайший успех научных исследований — это возможность применить их на практике и помочь улучшить социальное благосостояние: «Далее мы ускорим скорость передачи результатов научных исследований из лаборатории в промышленное применение и позволим технологическим достижениям найти применение. новая картина науки и технологий, приносящих пользу людям», — сказал Цай Тао.

Координатор этого выпуска: Чэнь Шихан

Дизайн макета: Цай Хуавей

«People's Daily» (страница 04, 6 августа 2024 г.)