Menghasilkan Kalori daripada Karbon Dioksida
Penyelidik China telah mempercepat dengan ketara proses menukarkan gas buangan industri menjadi kanji yang boleh dimakan, dengan produktiviti meningkat sepuluh kali ganda berbanding kaedah perintis mereka pada 2021. Kemajuan itu, yang dilaporkan oleh Akademi Sains China (CAS), membawa dunia lebih dekat kepada pengeluaran kanji pada skala industri tanpa tanah pertanian, tanaman atau pertanian tradisional. Saintis di Institut Bioteknologi Industri Tianjin (TIB) telah memperhalus sistem enzim bebas sel mereka untuk menukarkan karbon dioksida menjadi karbohidrat kompleks itu pada kelajuan yang kini jauh mengatasi fotosintesis semula jadi. Perkembangan ini berpotensi mengubah paradigma keselamatan makanan global, dengan menawarkan laluan untuk menghasilkan bahan makanan penting dan bahan mentah industri sambil mengelakkan kos alam sekitar pertanian konvensional.
Kandungan
Pasukan penyelidik yang diketuai Profesor Cai Tao telah menghabiskan lima tahun lalu mengoptimumkan laluan hibrid kimia-biokimia yang pertama kali diperkenalkan dalam jurnal Science. Pencapaian perintis mereka pada 2021 menunjukkan sintesis kanji daripada CO2 pada kadar 8.5 kali lebih pantas berbanding tanaman jagung. Penambahbaikan terkini telah meningkatkan hasil itu sebanyak sepuluh kali ganda lagi, menghasilkan sistem yang beroperasi pada tahap kecekapan yang sebelum ini hanya menjadi spekulasi teori. Laluan anabolik kanji buatan ini (ASAP) kini berpotensi mencabar status quo pertanian yang telah mendominasi tamadun manusia selama beribu-ribu tahun.
Kimia Fotosintesis Sintetik
Proses ini meniru alam semula jadi tetapi menghapuskan ketidakcekapan biologi yang wujud dalam pertumbuhan tumbuhan. Daripada menunggu berbulan-bulan untuk jagung matang, kaedah makmal ini menyelesaikan penukaran dalam masa beberapa jam. Laluan ini terdiri daripada sebelas tindak balas teras yang menukarkan karbon dioksida berbentuk gas menjadi kanji polimer melalui urutan langkah kimia dan enzim yang diselaraskan dengan teliti.
Pertama, pemangkin bukan organik menurunkan karbon dioksida menjadi metanol dalam keadaan terkawal. Molekul ringkas ini kemudian bertindak sebagai bahan binaan untuk rangkaian tindak balas enzim. Pasukan penyelidik mendapatkan dan merekayasa enzim daripada 31 spesies berbeza, memilih dan mengubah suai 62 calon bagi mengenal pasti sepuluh pemangkin paling berkesan untuk tugas itu. Mesin biologi ini menukarkan metanol menjadi unit gula tiga karbon dan enam karbon, yang kemudiannya dipolimerkan menjadi amilosa atau amilopektin, dua komponen utama kanji semula jadi.
Kanji sintetik yang terhasil adalah serupa dari segi kimia dan fizikal dengan kanji pertanian. Analisis makmal mengesahkan komposisi dan sifatnya sepadan, bermakna produk buatan itu boleh menggantikan kanji jagung secara langsung dalam produk makanan, farmaseutikal, pembuatan kertas, tekstil, bahan pelekat dan plastik terbiodegradasi. Kaedah ini juga membolehkan komposisi kanji disesuaikan, sekali gus berpotensi menghasilkan varieti dengan kadar penghadaman atau ciri fungsi tertentu mengikut keperluan industri.
Dari Makmal ke Lantai Kilang
Menterjemahkan kejayaan makmal kepada daya maju komersial membawa cabaran yang lebih besar daripada pencapaian saintifik itu sendiri. Profesor Cai Tao mengakui kesukaran meningkatkan skala dalam temu bual dengan China Science Daily, dan menjelaskan bahawa peralihan daripada bukti konsep kepada aplikasi industri memerlukan halangan ekonomi yang besar diatasi.
Sukar untuk bergerak dari sifar kepada satu, sukar untuk mengurangkan kos, dan lebih sukar lagi untuk akhirnya mencapai aplikasi industri. Namun begitu, kita tetap perlu menyahut cabaran ini.
Halangan utama ialah kos enzim. Dalam sistem asal pada 2021, satu enzim utama menyumbang separuh daripada keseluruhan kos bahan. Pasukan itu memberi tumpuan khusus untuk memperbaik kekangan ini, menggunakan kecerdasan buatan untuk menapis varian enzim yang lebih stabil dan cekap sambil membangunkan kaedah supaya pemangkin biologi itu boleh digunakan semula. Penambahbaikan ini telah mengurangkan dengan ketara jumlah enzim yang diperlukan sambil mengekalkan kecekapan tindak balas.
Para penyelidik juga mengoptimumkan keadaan tindak balas bagi mengurangkan kos tenaga dengan banyak. Proses ini beroperasi dalam keadaan makmal yang terkawal, sekali gus membolehkan hasil yang boleh diramal dan tidak terjejas oleh cuaca, musim atau perubahan iklim. Konsistensi ini berbeza ketara daripada pengeluaran pertanian, yang hasil tahunannya boleh musnah akibat kemarau, banjir dan perosak.
Mendefinisikan Semula Ekonomi Pertanian
Potensi penjimatan sumber melangkaui sekadar ukuran kecekapan. Menurut pengiraan pasukan TIB, bioreaktor berisipadu satu meter padu secara teori boleh menghasilkan jumlah kanji tahunan yang setara dengan kira-kira satu pertiga hektar ladang jagung. Jika kos pengeluaran dapat dikurangkan sehingga mampu bersaing dengan pertanian tradisional, teknologi ini boleh menghapuskan keperluan terhadap lebih 90 peratus tanah pertanian dan air tawar yang kini digunakan untuk pengeluaran kanji.
Perubahan guna tanah ini membawa implikasi besar terhadap pertanian global. Pada masa ini, pengeluaran kanji industri hampir sepenuhnya bergantung pada jagung, tanaman yang memerlukan kawasan luas tanah pertanian, pengairan intensif serta penggunaan baja dan racun perosak secara banyak. Persaingan antara tanaman makanan dengan bahan mentah industri untuk mendapatkan tanah pertanian yang terhad semakin sengit apabila populasi global meningkat dan perubahan iklim mengancam hasil pertanian.
Ma Yanhe, pengarah pengasas TIB, menjelaskan visi yang mendorong penyelidikan ini dalam kenyataan pada 2021 yang masih relevan hari ini. Beliau berkata bahawa pengindustrian merupakan cita-cita asal dan matlamat akhir projek itu, sambil menegaskan pasukan tersebut tidak akan meninggalkan usaha berkenaan walaupun berdepan kesukaran sepanjang pembangunan.
Manfaat alam sekitar bertambah apabila kesan terhadap kitaran karbon turut diambil kira. Daripada melepaskan karbon dioksida ke atmosfera, proses ini menggunakannya sebagai bahan mentah. Jika dikuasakan oleh tenaga elektrik boleh baharu, sistem ini boleh menghasilkan kanji dengan jejak karbon negatif, secara aktif menyingkirkan gas rumah hijau daripada atmosfera sambil menghasilkan komoditi bernilai. Kajian 2023 oleh pasukan yang sama, diterbitkan dalam Science Bulletin, menunjukkan sistem mereka boleh mencapai kecekapan tenaga 3.5 kali lebih tinggi dan kadar sintesis 23 kali lebih pantas berbanding sistem tumbuhan semula jadi.
Laluan Biologi Alternatif
Walaupun pendekatan enzim mendominasi perhatian, penyelidikan selari menunjukkan terdapat laluan lain yang berdaya maju untuk menukarkan karbon dioksida menjadi kanji. Saintis telah membangunkan kaedah alternatif menggunakan yis terubah suai, khususnya strain oleaginus Yarrowia lipolytica, untuk menghasilkan apa yang mereka namakan "mikrobijirin kaya kanji".
Pendekatan biologi ini menyusun semula metabolisme yis supaya kanji terkumpul sehingga mencapai 47 peratus daripada berat kering sel. Dengan menyusun semula laluan biosintesis kanji dan glukoneogenesis serta mengubah morfologi sel untuk meningkatkan saiznya, penyelidik mencapai produktiviti ruang-masa kira-kira 50 kali lebih tinggi berbanding penanaman tanaman tradisional. Kaedah yis ini menggunakan asetat, yang boleh disintesis secara elektrokimia daripada karbon dioksida menggunakan tenaga elektrik boleh baharu, sekali gus mewujudkan satu lagi laluan untuk pengeluaran makanan berkarbon negatif.
Yis terubah suai itu boleh menggunakan sisa pertanian seperti jerami apabila digabungkan dengan asetat, sekali gus menawarkan cara untuk menukarkan selulosa kepada kanji yang boleh dimakan. Keupayaan ini menangani satu lagi cabaran pertanian: penggunaan sisa tanaman yang masih belum dimanfaatkan sepenuhnya. Walaupun pendekatan enzim dan mikrob berbeza dari segi kaedah, kedua-duanya berkongsi matlamat untuk memisahkan pengeluaran makanan daripada pertanian tradisional.
Konteks Nasional dan Implikasi Global
Pelaburan China dalam teknologi kanji sintetik mencerminkan tekanan besar yang dihadapi negara itu. China perlu memberi makan kepada penduduk terbesar dunia dengan sumber tanah pertanian dan air per kapita yang terhad. Aktiviti pertanian menyumbang dengan ketara kepada pelepasan karbon negara melalui pengeluaran baja, penggunaan bahan api jentera, pelepasan metana daripada penanaman padi dan sistem pengairan yang intensif tenaga.
Data terkini bagi tempoh 2005 hingga 2021 menunjukkan China melaksanakan pengurusan pertanian pada dua skala, menggabungkan operasi ladang yang lebih besar dengan perkhidmatan profesional berkongsi untuk mengurangkan intensiti karbon sambil mengekalkan hasil. Namun, penambahbaikan ini mungkin tidak mencukupi apabila perubahan iklim semakin buruk dan tanah pertanian mengalami kemerosotan. Kanji sintetik menawarkan strategi pelengkap yang boleh membebaskan berjuta-juta hektar tanah untuk pemulihan ekosistem atau penanaman tanaman makanan, sambil memenuhi permintaan industri terhadap karbohidrat itu.
Teknologi ini juga seiring dengan peralihan tenaga China yang lebih luas. Apabila negara itu memperluas penjanaan elektrik boleh baharu dan mengurangkan pelepasan sektor tenaga, bekalan tenaga bersih menjadikan teknologi penangkapan dan penggunaan karbon semakin berdaya maju. Proses penukaran CO2 kepada kanji memerlukan input tenaga, terutamanya untuk penukaran awal kepada metanol dan penghasilan hidrogen melalui elektrolisis air. Apabila dikuasakan oleh tenaga suria atau angin, sistem ini berkesan menyimpan tenaga elektrik dalam ikatan kimia, sekali gus mewujudkan satu bentuk penyimpanan tenaga berasaskan makanan.
Perkara Utama
- Saintis China di Institut Bioteknologi Industri Tianjin telah meningkatkan produktiviti penukaran karbon dioksida kepada kanji sebanyak sepuluh kali ganda berbanding kaedah perintis mereka pada 2021.
- Proses buatan ini menggunakan sebelas langkah enzim untuk menukarkan CO2 menjadi kanji yang sama dengan produk pertanian, dan kini beroperasi kira-kira 85 kali lebih pantas daripada sintesis semula jadi oleh jagung.
- Bioreaktor berisipadu satu meter padu secara teori boleh menyamai hasil kanji tahunan daripada satu pertiga hektar ladang jagung, sekali gus berpotensi menjimatkan lebih 90 peratus tanah dan air yang digunakan dalam pengeluaran kanji tradisional.
- Pasukan penyelidik menggunakan kecerdasan buatan untuk mengoptimumkan enzim dan mengurangkan kos, bagi menangani halangan utama kepada aplikasi industri komersial.
- Penyelidikan selari menggunakan yis terubah suai menawarkan laluan biologi alternatif dengan produktiviti ruang 50 kali lebih tinggi berbanding penanaman tanaman, menggunakan asetat tersintesis secara elektrokimia sebagai bahan suapan.
- Teknologi ini boleh mengurangkan pelepasan karbon pertanian, menghapuskan persaingan antara tanaman makanan dan tanaman industri untuk mendapatkan tanah pertanian, serta menyediakan kaedah pembuatan berkarbon negatif apabila dikuasakan oleh tenaga boleh baharu.
