Китайские химики разработали набор из нескольких ферментов, комбинация которых напрямую превращает углекислый газ в чистый крахмал. Осуществляется такой процесс в 8,5 раз быстрее, чем образование углеводов в клетках растений. Результаты первых экспериментов ученых опубликованы в журнале Science.
“Мы смогли превратить смесь углекислого газа и водорода в чистый крахмал с помощью неорганического катализатора на основе цинка и циркония и набора из нескольких ферментов. Их пространственная и временная разграниченность позволила нам добиться рекордно высокой эффективности производства крахмала, которая в 8,5 раз превышает типичные показатели такого рода для кукурузы и других растений”, — рассказывают специалисты.
Химики уже несколько десятилетий работают над методами преобразования атмосферного углекислого газа в биотопливо и другие полезные вещества. Успешности таких разработок мешает тот факт, что молекулы CO2 необычайно устойчивы химически – для их расщепления требуется очень большое количество энергии. Эта особенность углекислого газа мешает не только человеку, но и всем живым существам, лишь небольшая часть которых – растения и цианобактерии – научились относительно эффективно расщеплять CO2.
Первые успешные шаги в этом направлении были сделаны только в последние годы, благодаря созданию новых наноматериалов и катализаторов, способных использовать солнечный свет и другие источники энергии для расщепления углекислого газа. Например, три года назад американские физики создали солнечную батарею, которая напрямую использует световую энергию для расщепления CO2 и получения угарного газа и водорода, а также преобразования углекислоты в спирт.
Группа китайских химиков под руководством Ма Яньхэ, президента Института промышленной биотехнологии CAS в Тяньцзине, задалась вопросом, можно ли использовать подобные системы для прямого преобразования углекислого газа в чистый крахмал, подавляющее большинство которого сегодня добывается из растительной биомассы.
Учеными был проведен анализ реакции синтеза этого углевода в клетках растений. Анализ помог химикам определить набор ключевых ферментов, участвующих в процессе преобразования поглощаемых растениями молекул CO2 в простые углеводы, а затем объединяющих их в полимерные нити крахмала.
Основываясь на этой информации, учены подобрали цепочку из 11 реакций, которые сначала превращали молекулы углекислого газа в метаноловый спирт с помощью цинкового катализатора, а затем преобразовывались в формальдегид, дигидроксиацетон и другие простые органические молекулы, необходимые для синтеза сахаров и крахмала.
В итоге исследователям удалось осуществить подбор нужных ферментов и условий реакции, которые позволяют очень быстро, всего за четыре часа работы, превратить большое количество CO2 в чистый крахмал. В этом отношении, как показывают измерения ученых, их подход превосходит кукурузу и другие растения примерно в 5-8,5 раз.
Такая особенность их разработки и низкая стоимость используемых в ней компонентов и ферментов, как считают ученые, одновременно удешевит производство крахмала и продуктов на его основе, а также создаст экономический стимул для извлечения CO2 из атмосферы и его активной переработки в промышленных масштабах.
