Sản xuất bởi: Science Popularization China
Sản xuất bởi: Li Lei
Nhà sản xuất: Trung tâm thông tin mạng máy tính, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc
Gần đây, Viện Công nghệ sinh học công nghiệp Thiên Tân thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã có những bước đột phá lớn trong tổng hợp tinh bột nhân tạo, đạt được thành tựu tổng hợp tinh bột de novo đầu tiên từ carbon dioxide trên thế giới. Công trình liên quan đã được công bố trên tạp chí quốc tế hàng đầu Science vào ngày 24 tháng 9 năm 2021.
Tinh bột là thành phần chính của ngũ cốc. Liệu công nghệ này có giúp chúng ta sống mà không cần gì cả không?
Sự đột phá trong công nghệ tổng hợp tinh bột nhân tạo từ carbon dioxide sẽ có tác động như thế nào đến tương lai và nó quan trọng như thế nào?
Trước tiên chúng ta hãy xem xét đánh giá chính thức:
Đây là một bước đột phá lớn và độc đáo khác do các nhà khoa học Trung Quốc thực hiện trong quá trình 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.
Nguồn hình ảnh: do tác giả cung cấp
Đặc điểm lớn nhất của phương pháp tổng hợp này là không sử dụng tế bào (không có tế bào). Trong tự nhiên, tế bào chuyển đổi carbon dioxide thành tinh bột thông qua quá trình quang hợp.
Nguồn hình ảnh: do tác giả cung cấp
Nhưng vấn đề với quá trình quang hợp là cần phải có lục lạp. Đối với phần lớn sinh vật trên Trái Đất, chỉ có thực vật và một số loài động vật mới có thể thực hiện được điều này.
Đặc điểm của nghiên cứu này là: tổng hợp công nghiệp/phòng thí nghiệm thuần túy.
Lộ trình cho nghiên cứu này như sau
Nguồn hình ảnh: do tác giả cung cấp
Nói một cách ngắn gọn, thí nghiệm này như sau:
Đầu tiên, carbon dioxide được khử thành methanol bằng chất xúc tác vô cơ, sau đó methanol được chuyển thành ba nguyên tử cacbon, rồi ba nguyên tử cacbon này được tổng hợp thành sáu nguyên tử cacbon và cuối cùng, chúng được trùng hợp thành tinh bột.
So với tinh bột tự nhiên thông thường, cấu trúc của nó về cơ bản là giống nhau.
Cả đỉnh hấp thụ và tín hiệu NMR đều chứng minh rằng tinh bột tổng hợp này rất giống với tinh bột tự nhiên.
Nguồn hình ảnh: do tác giả cung cấp
Hình ảnh bên dưới là hình ảnh thực tế của tinh bột tổng hợp (Ảnh do Liên minh nhiếp ảnh khoa học và công nghệ của Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc cung cấp)
Tinh bột nhân tạo quan trọng như thế nào?
Chúng ta hãy bắt đầu từ nhỏ đến lớn:
1. Các bước đơn giản
Trong tự nhiên, cần khoảng 60 phản ứng sinh hóa và điều hòa sinh lý phức tạp để sinh vật tổng hợp tinh bột từ carbon dioxide, nhưng quá trình tổng hợp nhân tạo này chỉ cần 11 bước.
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.
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 carbon dioxide.
Hơn nữa, hiệu quả tổng hợp cũng được báo cáo là 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%.
3. Tầm nhìn
Thực phẩm là nhu cầu thiết yếu của con người. Các vấn đề nông nghiệp luôn liên quan đến sự sống còn của loài người. Việc sử dụng phương pháp tổng hợp 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 đai của cả nước, tức là chưa tới một phần năm. Phần diện tích đất còn lại không thể sử dụng làm đất canh tác, điều này khiến vấn đề lương thực của đất nước 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.
Nguồn hình ảnh: veer gallery
Từ xa xưa, hệ thống giao thông đường thủy của đất nước tôi đã đòi hỏi phải vận chuyển ngũ cốc và các vật liệu khác rất bận rộn. Với công nghệ này, nhiều nơi không có điều kiện trồng trọt có thể trực tiếp sản xuất tinh bột.
4. Vấn đề nhà kính, sự nóng lên toàn cầu
Có thể nói rằng hiện tượng nóng lên toàn cầu là một vấn đề đã và đang gây ảnh hưởng đến toàn thể nhân loại trong nhiều năm qua.
Nguồn hình ảnh: do tác giả cung cấp
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.
Nguồn hình ảnh: do tác giả cung cấp
Với công nghệ này, carbon dioxide có thể được cố định trực tiếp, hiệu quả hơn nhiều so với nông nghiệp và cây trồng. Liệu điều đó có giải quyết được vấn đề khí nhà kính không?
5. Tương lai xa hơn
Trạm vũ trụ và thậm chí cả hành trình vào vũ trụ đều được đảm bảo.
Trước đây, chúng ta hình dung ra hai giải pháp cho vấn đề du hành vũ trụ đường dài: một là mang theo đủ thức ăn; cách còn lại là để con người ngủ đông để giảm mức tiêu thụ năng lượng.
Nhưng chỉ cần bạn thức dậy, bạn luôn cần thức ăn.
Nhiều bộ phim khoa học viễn tưởng có cảnh người ngoài hành tinh làm nông, chẳng hạn như "The Martian" khi họ đến sao Hỏa để trồng khoai tây.
Nguồn hình ảnh: Ảnh tĩnh từ The Martian
Nếu chúng ta có công nghệ tổng hợp tinh bột nhân tạo, những vấn đề này có thể được giải quyết tốt. Ngay cả ở vùng đất cằn cỗi, tinh bột vẫn có thể được tổng hợp trực tiếp miễn là có carbon dioxide và các vật liệu liên quan.
Nguồn hình ảnh: do tác giả cung cấp
Ví dụ, bầu khí quyển của sao Hỏa chủ yếu là carbon dioxide, chiếm 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?
Điều này có thể đòi hỏi năng lượng mới. Hiện nay, đất nước tôi cũng đang tích cực phát triển năng lượng mới, đặc biệt là năng lượng hạt nhân và hy vọng đạt được phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát trong vòng 50 năm.
Nguồn hình ảnh: do tác giả cung cấp
Cần nhấn mạnh rằng các kết quả nghiên cứu hiện tại vẫn đang ở giai đoạn phòng thí nghiệm và công nghệ này vẫn còn rất xa mới có thể ứng dụng.
Nhưng công nghệ này là bước đột phá từ 0 đến 1 và tầm quan trọng của nó là điều hiển nhiên. Giống như khi Faraday phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ, một phụ nữ quý tộc đã từng hỏi ông: "Điện có tác dụng gì?"
Faraday khéo léo hỏi: "Trẻ sơ sinh có ích gì?"
