Stärkesynthese aus Kohlendioxid

Der künstliche Synthese kann Stärke aus CO2 mit einer 8,5-fach höheren Effizienz als die Stärkebiosynthese in Mais produzieren

27.09.2021 - China

Chinesische Wissenschaftler haben vor kurzem zum ersten Mal eine de novo-Route für die künstliche Stärkesynthese aus Kohlendioxid (CO₂) vorgestellt. Entsprechende Ergebnisse wurden am 24. September in Science veröffentlicht.

Der neue Weg ermöglicht es, die Stärkeproduktion vom traditionellen landwirtschaftlichen Anbau auf die industrielle Fertigung umzustellen, und eröffnet einen neuen technischen Weg zur Synthese komplexer Moleküle aus CO₂.

Stärke ist der Hauptbestandteil von Getreide und ein wichtiger Industrierohstoff. Gegenwärtig wird sie hauptsächlich von Nutzpflanzen wie Mais durch die Bindung von CO₂ durch Photosynthese erzeugt. Dieser Prozess umfasst etwa 60 biochemische Reaktionen sowie eine komplexe physiologische Regulierung. Die theoretische Energieumwandlungseffizienz dieses Prozesses beträgt nur etwa 2%.

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Strategien für die nachhaltige Bereitstellung von Stärke und die Nutzung von CO₂ sind dringend erforderlich, um die großen Herausforderungen der Menschheit, wie die Nahrungsmittelkrise und den Klimawandel, zu bewältigen. Die Entwicklung neuartiger Verfahren zur Umwandlung von CO₂ in Stärke, die über die pflanzliche Photosynthese hinausgehen, ist eine wichtige und innovative Aufgabe im Bereich Wissenschaft und Technologie und wird in der heutigen Welt einen bedeutenden technologischen Umbruch darstellen.

Um dieses Problem anzugehen, haben Wissenschaftler des Tianjin Institute of Industrial Biotechnology (TIB) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) ein chemoenzymatisches System sowie einen künstlichen Stärkeabbauweg entwickelt, der aus nur 11 Kernreaktionen besteht, um CO₂ in Stärke umzuwandeln.

Dieser Weg wurde durch eine "building block"-Strategie etabliert, bei der die Forscher chemische und biologische katalytische Module integrierten, um Energie mit hoher Dichte und CO₂in hoher Konzentration auf biotechnologisch innovative Weise zu nutzen.

Die Forscher optimierten dieses Hybridsystem systematisch durch räumliche und zeitliche Trennung, indem sie Aspekte wie Substratkonkurrenz, Produkthemmung und thermodynamische Anpassung berücksichtigten.

Die künstliche Methode kann Stärke aus CO₂ mit einer 8,5-fach höheren Effizienz als die Stärkebiosynthese in Mais produzieren, was einen großen Schritt in Richtung Naturüberwindung bedeutet. Sie bietet eine neue wissenschaftliche Grundlage für die Schaffung biologischer Systeme mit noch nie dagewesenen Funktionen.

"Nach den derzeitigen technischen Parametern entspricht die Jahresproduktion von Stärke in einem 1-Kubikmeter-Bioreaktor theoretisch dem jährlichen Stärkeertrag aus dem Anbau von einem Hektar Mais, ohne Berücksichtigung des Energieinputs", so CAI Tao, Hauptautor der Studie.

Diese Arbeit würde ein Fenster für die industrielle Herstellung von Stärke aus CO₂ öffnen.

"Wenn die Gesamtkosten des Prozesses in Zukunft auf ein Niveau gesenkt werden können, das wirtschaftlich mit dem landwirtschaftlichen Anbau vergleichbar ist, werden voraussichtlich mehr als 90% der Anbauflächen und Süßwasserressourcen eingespart", so MA Yanhe, korrespondierender Autor der Studie.

Darüber hinaus würde sie auch dazu beitragen, die negativen Umweltauswirkungen des Einsatzes von Pestiziden und Düngemitteln zu vermeiden, die Ernährungssicherheit der Menschen zu verbessern, eine kohlenstoffneutrale Bioökonomie zu ermöglichen und schließlich die Bildung einer nachhaltigen biobasierten Gesellschaft zu fördern.

Die TIB konzentriert sich seit 2015 auf die künstliche Stärkebiosynthese und CO₂-Nutzung. Um eine solche bedarfsorientierte W&T-Forschung durchzuführen, wurden alle Arten von Innovationsressourcen gebündelt und die Integration von "Disziplin, Aufgabe und Plattform" gestärkt, um eine effiziente Koordinierung der Forschungsanstrengungen zu erreichen.

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