นักวิจัยในมิวนิกพัฒนาวิธีการผลิตกรดอะมิโนจากคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจนโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์

ระบบเอนไซม์ทำงานอย่างไร

กระบวนการนี้ดำเนินไปเป็นขั้นตอน ขั้นแรก ไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนจะผลิตไฮโดรเจนผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส จากนั้นไฮโดรเจนจะรวมกับคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อสร้างเมทานอล เอนไซม์เฉพาะทางจะนำเมทานอลผ่านชุดปฏิกิริยาต่างๆ จนกระทั่งกลายเป็นกรดอะมิโน ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานของโปรตีน

ทีมวิจัยอธิบายการออกแบบนี้ว่าเป็นแบบ “เสียบปลั๊กแล้วใช้งานได้เลย” โมดูลเอนไซม์สามารถสลับเปลี่ยนหรือปรับเปลี่ยนได้ตามสารประกอบเป้าหมาย เวอร์ชันล่าสุดสามารถผลิตกรดอะมิโนได้เจ็ดชนิด งานวิจัยก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นวิธีการนี้สำหรับแอล-อะลานีนเพียงอย่างเดียว งานวิจัยใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications ได้เพิ่มไกลซีน เซรีน แอล-แอสปาร์ติกแอซิด แอล-วาลีน แอล-กลูตามิกแอซิด และแอล-โพรลีน เข้าไปด้วย

วิกตอเรีย เลห์มันน์ นักวิจัยระดับปริญญาเอกประจำภาควิชาเคมีทรัพยากรชีวภาพ มหาวิทยาลัยเทคนิคเม็กซิโก (TUM) กล่าวว่า กรดอะมิโนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอาหารสัตว์เพื่อเสริมโปรตีน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตนม เธอกล่าวว่าวิธีการผลิตที่มีอยู่เดิมนั้นใช้ทรัพยากรมากเกินไป

ทีมวิจัยจาก TUM วางกรอบการวิจัยโดยคำนึงถึงปัญหาทางการเกษตรที่สำคัญ การคาดการณ์ของสหประชาชาติชี้ว่าความต้องการอาหารทั่วโลกอาจเพิ่มขึ้นประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ภายในปี 2050 ในขณะที่พื้นที่ทำการเกษตรที่มีอยู่คาดว่าจะเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยในช่วงเวลาเดียวกัน

บริบทความมั่นคงทางอาหาร

ช่องว่างดังกล่าวเป็นแรงผลักดันให้เกิดความสนใจในห่วงโซ่อุปทานโปรตีนที่พึ่งพาที่ดิน น้ำ และพืชผลทางการเกษตรที่ใช้พลังงานสูงน้อยลง การผลิตกรดอะมิโนแบบดั้งเดิมใช้ทรัพยากรเหล่านี้ในปริมาณมาก กระบวนการผลิตที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์และคาร์บอนไดออกไซด์เป็นตัวขับเคลื่อนจะช่วยลดการพึ่งพาปัจจัยการผลิตเหล่านั้นได้ อย่างน้อยก็ในทางทฤษฎี

โวลเกอร์ ซีเบอร์ ศาสตราจารย์ด้านเคมีของทรัพยากรชีวภาพและอธิการบดีของวิทยาเขตสเตราบิง มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีแห่งมิวนิก (TUM Campus Straubing) กล่าวว่า โครงการนี้ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อเปลี่ยนเป็นตัวนำพลังงานทางเคมี ก่อนที่จะแปลงเป็นหน่วยสร้างโปรตีนที่มีประโยชน์ เขากล่าวว่า แนวทางนี้อาจช่วยเพิ่มผลผลิตของพื้นที่ที่มีอยู่และสนับสนุนการผลิตกรดอะมิโนที่ยั่งยืนมากขึ้นในอนาคต

ข้อกล่าวอ้างเหล่านั้นยังคงต้องได้รับการทดสอบในระดับใหญ่ นักวิจัยยอมรับว่าผลผลิตในปัจจุบันต่ำเกินไปสำหรับการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์

ทีมงาน TUM ระบุถึงการใช้งานที่นอกเหนือจากโภชนาการปศุสัตว์ กรดอะมิโนทั้งเจ็ดชนิดที่ระบบผลิตได้ในปัจจุบันยังเป็นส่วนประกอบสำคัญในอาหารเลี้ยงเชื้อสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง การประยุกต์ใช้ดังกล่าวเชื่อมโยงเทคโนโลยีนี้เข้ากับความพยายามอีกด้านหนึ่งที่แยกต่างหากแต่เกี่ยวข้องกัน นั่นคือการลดพื้นที่การใช้ที่ดินในการจัดหาโปรตีน

การประยุกต์ใช้ที่มีศักยภาพนอกเหนือจากอาหารสัตว์

นักวิจัยเชื่อว่าแพลตฟอร์มเดียวกันนี้อาจสามารถรองรับห่วงโซ่คุณค่าอื่นๆ ที่ใช้ CO₂ เป็นพื้นฐานได้ในอนาคต แม้ว่าพวกเขาจะไม่ได้ระบุว่าห่วงโซ่คุณค่าใดบ้างในเอกสารที่เผยแพร่

สิ่งสำคัญทางเทคนิคเร่งด่วนในขณะนี้คือการปรับปรุงประสิทธิภาพของเอนไซม์ ผลผลิตยังคงเป็นข้อจำกัดที่สำคัญ ช่องว่างระหว่างการสาธิตในห้องปฏิบัติการกับกระบวนการทางอุตสาหกรรมนั้นมีนัยสำคัญ และทีมงานก็ยอมรับอย่างตรงไปตรงมาเกี่ยวกับช่องว่างนั้น

สิ่งที่งานวิจัยแสดงให้เห็นและไม่แสดงให้เห็น

นี่คือการสาธิตทางชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ แสดงให้เห็นว่ากระบวนการทางเคมีนั้นเป็นไปได้ แต่ไม่ได้แสดงให้เห็นว่ากระบวนการนี้สามารถผลิตกรดอะมิโนในปริมาณที่ต้นทุนแข่งขันได้

บทความในวารสาร Nature Communications เป็นแหล่งข้อมูลหลักที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเม็กซิโก (TUM) ยังไม่ได้ประกาศพันธมิตรทางการค้าหรือโรงงานนำร่อง และยังไม่มีการเผยแพร่กำหนดเวลาสำหรับการขยายขนาดการผลิต

สำหรับนักลงทุนและผู้กำหนดนโยบายที่จับตามองตลาดโปรตีนทางเลือก งานวิจัยชิ้นนี้น่าสนใจเป็นพิเศษด้วยเหตุผลหนึ่งประการ คือ การเชื่อมโยงเทคโนโลยีสามด้านที่แตกต่างกัน ได้แก่ พลังงานหมุนเวียน การใช้คาร์บอนจากอากาศโดยตรง และชีวเคมีที่เกี่ยวข้องกับการหมักแบบแม่นยำ เข้าไว้ในกระบวนการผลิตเดียวกัน ซึ่งแต่ละด้านนั้นดึงดูดเงินทุนจำนวนมากอยู่แล้ว ระบบที่บูรณาการทั้งสามด้านนี้เข้าด้วยกัน หากผลผลิตดีขึ้นอย่างมาก อาจเปลี่ยนแปลงเศรษฐศาสตร์ของการจัดหาอะมิโนแอซิดสำหรับผู้ผลิตอาหารสัตว์และอาหารคนได้

นักวิจัยเองก็ระมัดระวังในการกล่าวอ้างของตน งานวิจัยชี้ให้เห็นถึงวิธีการผลิตวัตถุดิบที่ไม่ต้องพึ่งพาที่ดินมากนัก ซึ่งเป็นสิ่งที่ระบบอาหารสมัยใหม่ต้องการ อย่างไรก็ตาม การที่กระบวนการนี้จะสามารถนำไปใช้ในระดับอุตสาหกรรมได้หรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับความก้าวหน้าทางด้านวิศวกรรมเอนไซม์ ซึ่งยังคงล้ำหน้ากว่าวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน