Gần đây, các nhà khoa học Trung Quốc đã có bước đột phá trong công nghệ tổng hợp tinh bột nhân tạo bằng carbon dioxide. Đây là một bước đột phá lớn và độc đáo khác do các nhà khoa học Trung Quốc thực hiện trong lĩnh vực tổng hợp tinh bột nhân tạo, sau lần tổng hợp nhân tạo insulin tinh thể đầu tiên trên thế giới vào những năm 1960. Đây là lần đầu tiên trên thế giới đạt được quá trình tổng hợp tinh bột từ carbon dioxide trong phòng thí nghiệm.
Đây là bước đột phá quan trọng thứ hai trong lĩnh vực khoa học của nước tôi. Thứ được tổng hợp là một chất hữu cơ phức tạp như tinh bột, đây cũng là thành phần chính trong thực phẩm của chúng ta!
Đây thực sự là một công nghệ mang tính đột phá. “Uống gió Tây Bắc” có khi sẽ trở thành mốt mất (haha)! Hôm nay, tôi xin chia sẻ với các bạn bước đột phá công nghệ lớn này.
01. Đặc điểm của tổng hợp này
————————
Tiêu đề của bài báo này là "Tổng hợp tinh bột hóa học không có tế bào từ carbon dioxide"
Như có thể thấy từ tiêu đề, đặc điểm lớn nhất của quá trình tổng hợp này là nó không sử dụng tế bào (không có tế bào). Bởi vì trong tự nhiên, tế bào có thể tổng hợp tinh bột từ carbon dioxide. Tôi tin rằng bạn hẳn biết rằng đây chính là quá trình quang hợp nổi tiếng.
Tuy nhiên, vấn đề với quá trình quang hợp là nó phải có lục lạp thì mới có thể hoàn thành. Đối với phần lớn các sinh vật trên Trái Đất, nghĩa là thực vật và một số loài động vật, nhu cầu đều rất cao.
Đặc điểm của nghiên cứu này là: tổng hợp công nghiệp/phòng thí nghiệm thuần túy.
Lộ trình cho nghiên cứu này như sau:
Nói một cách ngắn gọn, thí nghiệm này như sau:
Đầu tiên, carbon dioxide được khử thành methanol bằng chất xúc tác vô cơ.
Methanol sau đó được chuyển đổi thành ba carbon
Tiếp theo là quá trình tổng hợp sáu nguyên tử cacbon từ ba nguyên tử cacbon
Cuối cùng, nó trùng hợp thành tinh bột.
So với tinh bột tự nhiên tiêu chuẩn, cấu trúc của nó về cơ bản là giống nhau
Cả đỉnh hấp thụ và tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân đều chứng minh rằng tinh bột tổng hợp này rất giống với tinh bột tự nhiên.
Hình ảnh bên dưới là hình ảnh vật lý của tinh bột tổng hợp.
02. Ý nghĩa của quá trình tổng hợp tinh bột
————————
Ý nghĩa của quá trình tổng hợp tinh bột, chúng ta hãy cùng nói về nó từ nhỏ đến lớn:
1. Các bước đơn giản
Quá trình tổng hợp này chỉ cần một vài bước. Ngược lại, trong tự nhiên, sinh vật tổng hợp tinh bột từ carbon dioxide, đòi hỏi khoảng 60 phản ứng sinh hóa và điều hòa sinh lý phức tạp.
Quá trình tổng hợp nhân tạo này bao gồm khoảng 11 bước.
Điều quan trọng cần lưu ý ở đây là các nhà khoa học không xóa hoặc giảm hơn 60 bước để có được 11 bước, mà thay vào đó, họ thiết kế một con đường mới. Đầu tiên, họ tính toán một con đường tối giản từ các phản ứng sinh hóa của nhiều loại sinh vật, nhưng con đường này đã được tính toán và các bước khác nhau trong hoạt động thực tế lại không tương thích với nhau, ví dụ, các điều kiện phản ứng cần thiết không hoàn toàn giống nhau. Các nhà khoa học đã sử dụng tư duy mô-đun và lựa chọn các quá trình phản ứng khác nhau để tìm ra con đường phản ứng gồm 11 bước này.
2. Tốc độ nhanh và hiệu quả cao
Tốc độ tổng hợp trong phòng thí nghiệm này gấp 8,5 lần so với tinh bột ngô.
Trong hệ thống hóa học-enzym có sự phân tách về không gian và thời gian, ASAP, được thúc đẩy bởi hydro, chuyển đổi CO2 thành tinh bột với tốc độ 22 nanomol CO2 mỗi phút trên mỗi miligam tổng chất xúc tác, cao hơn khoảng 8,5 lần so với quá trình tổng hợp tinh bột ở ngô. Về mặt lý thuyết, sản lượng tinh bột hàng năm của một lò phản ứng sinh học 1 mét khối tương đương với sản lượng tinh bột hàng năm của 5 mu ruộng ngô ở nước tôi. Tuyến đường mới này giúp chuyển đổi sản xuất tinh bột từ canh tác nông nghiệp truyền thống sang sản xuất công nghiệp và mở ra một tuyến đường công nghệ mới để tổng hợp các phân tử phức tạp từ CO2.
Ngoài ra, theo báo cáo, hiệu quả của nó cũng rất cao. Hiệu suất tổng hợp tinh bột trong tự nhiên khoảng 2% (ngô), trong khi hiệu suất tổng hợp trong công nghiệp có thể đạt tới hơn 10%.
Lấy cảm hứng từ quá trình quang hợp tự nhiên, các nhà nghiên cứu đã phát triển thêm các chất xúc tác hóa học hiệu quả dựa trên công nghệ phân hủy nước bằng năng lượng mặt trời để sản xuất hydro xanh. Chúng khử cacbon dioxit thành metanol và các hợp chất một cacbon khác (C1) dễ tan trong nước, hoàn thành quá trình chuyển hóa năng lượng ánh sáng - năng lượng điện - năng lượng hóa học. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của quá trình này vượt quá 10%, vượt xa hiệu suất sử dụng năng lượng của quang hợp (2%) và cũng đặt nền tảng lý thuyết cho việc sử dụng xúc tác sinh học sau này để tổng hợp tinh bột.
3. Tầm nhìn
Giải quyết vấn đề nông nghiệp: Thực phẩm là nhu cầu hàng đầu của con người. Các vấn đề về nông nghiệp luôn liên quan đến sự sống còn của nhân loại. Việc sử dụng phương pháp công nghiệp này có thể giải quyết được vấn đề đất canh tác và nguồn nước ngọt cần thiết cho nông nghiệp, tránh sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón, đồng thời cải thiện an ninh lương thực.
Diện tích đất canh tác ở nước tôi là hơn 1,5 triệu km2, chiếm khoảng 16% diện tích đất liền. Nghĩa là, chưa đến một phần năm, bốn phần năm diện tích đất còn lại không thể sử dụng làm đất canh tác. Điều này khiến vấn đề lương thực của đất nước tôi trở nên rất nghiêm trọng.
Với công nghệ này, các thung lũng núi, sa mạc và cánh đồng băng giá đều có thể trở thành vùng sản xuất nông nghiệp.
Từ xa xưa, hệ thống giao thông đường thủy của đất nước tôi luôn rất bận rộn để vận chuyển ngũ cốc và các vật liệu khác. Với công nghệ này, miền Bắc và thậm chí xa hơn nữa về phía Bắc có thể trực tiếp sản xuất tinh bột, khoảng cách giữa miền Bắc và miền Nam có thể được thu hẹp đáng kể.
4. Vấn đề nhà kính? Thế còn sự nóng lên toàn cầu thì sao?
Có thể nói rằng hiện tượng nóng lên toàn cầu là một vấn đề đã và đang gây đau đầu cho toàn thể nhân loại trong nhiều năm qua.
Nhiều người lo ngại rằng yếu tố cốt lõi gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu là khí nhà kính carbon dioxide.
Sản xuất công nghiệp, khí thải ô tô, v.v. đều là những yếu tố dẫn đến sự gia tăng khí carbon dioxide. Mặc dù thực vật liên tục cố định carbon dioxide nhưng lượng khí thải carbon dioxide vẫn không cao bằng.
Nhưng với công nghệ này, carbon dioxide có thể được cố định trực tiếp, hiệu quả hơn nhiều so với nông nghiệp và cây trồng. Vấn đề khí nhà kính có thể được giải quyết không?
5. Tương lai xa hơn
Các trạm vũ trụ và thậm chí việc bay vào không gian đều có thể được giải quyết. Trước đây, chúng ta hình dung rằng giải pháp cho vấn đề du hành vũ trụ đường dài là mang theo thức ăn hoặc đưa con người vào trạng thái ngủ đông để giảm mức tiêu thụ năng lượng.
Cho dù bạn có đi vào sâu thẳm vũ trụ, chỉ cần bạn thức dậy, bạn sẽ luôn cần thức ăn. Đó là lý do tại sao có rất nhiều bộ phim khoa học viễn tưởng về nghề nông của người ngoài hành tinh, chẳng hạn như "The Martian" về việc trồng khoai tây trên sao Hỏa.
Tuy nhiên, với tinh bột tổng hợp nhân tạo, những vấn đề này có thể được giải quyết tốt. Ngay cả ở vùng đất cằn cỗi, chỉ cần có cacbon dioxit và các vật liệu liên quan thì có thể tổng hợp trực tiếp tinh bột.
Ví dụ, bầu khí quyển của sao Hỏa chủ yếu là carbon dioxide, chiếm tới 96%, đơn giản là một kho thóc mới.
Hơn nữa, bản thân carbon dioxide là sản phẩm thải của quá trình trao đổi chất của con người và có thể được tái chế trực tiếp.
6. Một câu hỏi: năng lượng!
Quá trình chuyển hóa tinh bột thành carbon dioxide là một quá trình giải phóng năng lượng dần dần.
Glucose sau đó chuyển thành carbon dioxide
Bước này tương đương với việc bơi ngược dòng, đòi hỏi năng lượng.
Vậy năng lượng đến từ đâu?
Trên thực tế, trái ngược với những gì nhiều người tưởng tượng, một trong những ý nghĩa quan trọng của nghiên cứu này là năng lượng mà họ sử dụng chính là năng lượng mặt trời.
Đây cũng là "ánh nắng lỏng" của Viện Vật lý Hóa học Đại Liên thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, một đơn vị hợp tác khác của bài viết này - biến năng lượng mặt trời thành nhiên liệu lỏng, mà các nhà khoa học gọi theo nghĩa bóng là "ánh nắng lỏng". Công nghệ này được dẫn đầu bởi Viện sĩ Lý Can từ Viện Vật lý Hóa học Đại Liên thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.
Tất nhiên, mức tiêu thụ năng lượng ở đây phải vượt quá nhu cầu này, do đó cần phải có thêm năng lượng. Chúng tôi hiện đang nghiên cứu rất nhiều nguồn năng lượng mới, đặc biệt là năng lượng hạt nhân và chúng tôi hy vọng đạt được phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát trong vòng 50 năm.
———————————————
Cuối cùng, tôi nghĩ một số người sẽ nói rằng vẫn còn quá sớm để áp dụng công nghệ này. Điều này là không thể tránh khỏi, nhưng tôi tin rằng mọi người đều thấy được tầm quan trọng của nó.
Có lần một phụ nữ quý tộc hỏi Faraday, người phát hiện ra điện, "Điện có tác dụng gì?" Faraday khôn ngoan hỏi lại: "Một đứa trẻ sơ sinh có tác dụng gì?"
ps: Đừng dễ dàng nghĩ rằng bạn thông minh hơn khoa học
Liên kết bài báo: DOI: 10.1126/science.abh4049
