Ερευνητές στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου κατασκεύασαν ένα ηλιακό σύστημα που μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα και το ανανεώσιμο υδρογόνο σε αμινοξέα. Η διαδικασία είναι αρθρωτή, βασίζεται σε ένζυμα και βρίσκεται επί του παρόντος στο στάδιο της δοκιμής της ιδέας. Δεν έχει ακόμη εμπορική εφαρμογή. Αυτό που δείχνει είναι ότι η ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια, η δέσμευση άνθρακα και η βιοχημική παραγωγή μπορούν να λειτουργήσουν ως ενιαία αλυσίδα.
Πώς λειτουργεί το ενζυμικό σύστημα
Η διαδικασία εκτελείται σε στάδια. Η ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια παράγει πρώτα υδρογόνο μέσω ηλεκτρόλυσης. Αυτό το υδρογόνο συνδυάζεται με διοξείδιο του άνθρακα για να παράγει μεθανόλη. Στη συνέχεια, εξειδικευμένα ένζυμα προωθούν τη μεθανόλη σε μια σειρά αντιδράσεων μέχρι να γίνει αμινοξέα, τα βασικά δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών.
Η ομάδα περιγράφει τον σχεδιασμό ως «plug-and-play». Οι ενζυμικές μονάδες μπορούν να αντικατασταθούν ή να προσαρμοστούν ανάλογα με την ένωση-στόχο. Η τελευταία έκδοση παράγει επτά αμινοξέα. Προηγούμενη εργασία είχε καταδείξει τη μέθοδο μόνο για L-αλανίνη. Η νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, προσθέτει γλυκίνη, σερίνη, L-ασπαρτικό οξύ, L-βαλίνη, L-γλουταμινικό οξύ και L-προλίνη.
Η Βικτόρια Λέμαν, διδακτορική ερευνήτρια στην Έδρα Χημείας Βιογενών Πόρων του TUM, δήλωσε ότι τα αμινοξέα χρησιμοποιούνται ευρέως στις ζωοτροφές για την συμπλήρωση των αναγκών σε πρωτεΐνες, ιδιαίτερα στην παραγωγή γαλακτοκομικών προϊόντων. Είπε ότι οι υπάρχουσες μέθοδοι παραγωγής καταναλώνουν πάρα πολλούς πόρους.
Η ομάδα του TUM στρέφει την έρευνα σε ένα πιεστικό γεωργικό πρόβλημα. Οι προβλέψεις των Ηνωμένων Εθνών δείχνουν ότι η παγκόσμια ζήτηση τροφίμων θα μπορούσε να αυξηθεί κατά περίπου 60% έως το 2050. Η διαθέσιμη γεωργική γη αναμένεται να αυξηθεί μόνο οριακά κατά την ίδια περίοδο.
Το Πλαίσιο της Επισιτιστικής Ασφάλειας
Αυτό το κενό ωθεί το ενδιαφέρον για αλυσίδες εφοδιασμού πρωτεϊνών που εξαρτώνται λιγότερο από τη γη, το νερό και τις ενεργοβόρες καλλιέργειες. Η συμβατική παραγωγή αμινοξέων καταναλώνει σημαντικές ποσότητες από το καθένα. Μια οδός που βασίζεται στην ηλιακή ενέργεια και το CO₂ θα μείωνε την εξάρτηση από αυτές τις εισροές, τουλάχιστον κατ' αρχήν.
Ο Φόλκερ Ζίμπερ, καθηγητής χημείας βιογενών πόρων και πρύτανης της πανεπιστημιούπολης TUM Straubing, δήλωσε ότι το έργο διοχετεύει το ηλιακό φως σε χημικούς φορείς ενέργειας πριν τους μετατρέψει σε χρήσιμα δομικά στοιχεία πρωτεϊνών. Είπε ότι η προσέγγιση θα μπορούσε, με την πάροδο του χρόνου, να βελτιώσει την παραγωγικότητα της διαθέσιμης γης και να υποστηρίξει μια πιο βιώσιμη παραγωγή αμινοξέων.
Αυτοί οι ισχυρισμοί μένουν να δοκιμαστούν σε μεγάλη κλίμακα. Οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι η τρέχουσα απόδοση είναι πολύ χαμηλή για οποιαδήποτε εμπορική ανάπτυξη.
Η ομάδα του TUM προσδιορίζει χρήσεις πέρα από τη διατροφή των ζώων. Τα επτά αμινοξέα που παράγει σήμερα το σύστημα είναι επίσης βασικά συστατικά σε θρεπτικά μέσα για την παραγωγή καλλιεργημένου κρέατος. Αυτή η εφαρμογή συνδέει την τεχνολογία με μια ξεχωριστή αλλά σχετική προσπάθεια για τη μείωση του αποτυπώματος γης της προσφοράς πρωτεϊνών.
Πιθανές εφαρμογές πέρα από τις ζωοτροφές
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η ίδια πλατφόρμα θα μπορούσε τελικά να υποστηρίξει και άλλες αλυσίδες αξίας που βασίζονται στο CO₂, αν και δεν διευκρινίζουν ποιες στο δημοσιευμένο υλικό.
Η άμεση τεχνική προτεραιότητα είναι η βελτίωση της απόδοσης των ενζύμων. Η απόδοση παραμένει ο δεσμευτικός περιορισμός. Το χάσμα μεταξύ της εργαστηριακής επίδειξης και της βιομηχανικής διεργασίας είναι σημαντικό και η ομάδα είναι ειλικρινής σχετικά με αυτήν την απόσταση.
Τι δείχνει και τι δεν δείχνει η έρευνα
Αυτή είναι μια επίδειξη συνθετικής βιολογίας. Δείχνει ότι η χημική οδός είναι βιώσιμη. Δεν δείχνει ότι η διαδικασία μπορεί να παράγει αμινοξέα σε ανταγωνιστικές από πλευράς κόστους ποσότητες.
Το έγγραφο του Nature Communications είναι η κύρια επαληθευμένη πηγή. Το TUM δεν έχει ανακοινώσει εμπορικό συνεργάτη ή πιλοτική μονάδα. Δεν έχει δημοσιευτεί χρονοδιάγραμμα για την επέκταση.
Για τους επενδυτές και τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής που παρακολουθούν τον εναλλακτικό χώρο των πρωτεϊνών, η έρευνα αξίζει να σημειωθεί για έναν συγκεκριμένο λόγο. Συνδέει τρεις ξεχωριστούς τεχνολογικούς τομείς, την ανανεώσιμη ενέργεια, την άμεση χρήση άνθρακα από τον αέρα και τη βιοχημεία ακριβείας που συνδέεται με τη ζύμωση, σε μία ακολουθία παραγωγής. Κάθε ένας από αυτούς τους τομείς προσελκύει ήδη σημαντικά κεφάλαια. Ένα σύστημα που ενσωματώνει και τους τρεις θα μπορούσε, εάν οι αποδόσεις βελτιωθούν σημαντικά, να αλλάξει τα οικονομικά της προσφοράς αμινοξέων για τους κατασκευαστές ζωοτροφών και τροφίμων.
Οι ίδιοι οι ερευνητές είναι μετρημένοι στους ισχυρισμούς τους. Η εργασία υποδεικνύει μια λιγότερο εξαρτώμενη από τη γη μέθοδο παραγωγής πρώτων υλών από τις οποίες εξαρτώνται τα σύγχρονα συστήματα τροφίμων. Το αν θα υπάρξει ποτέ μια βιομηχανική εκδοχή αυτής της διαδικασίας θα εξαρτηθεί από τις εξελίξεις στην ενζυμική μηχανική που παραμένουν μπροστά από την τρέχουσα επιστήμη.
