二酸化炭素を使ってデンプンを人工的に合成する技術における新たな進歩。「北西風を飲む」が流行る日も遠いのでしょうか？

最近、中国の科学者たちは二酸化炭素を使ってデンプンを人工的に合成する技術で画期的な進歩を遂げた。これは、我が国が1960年代に世界初の結晶性ウシインスリンの人工合成を完成して以来、デンプンの人工合成の分野で中国の科学者が成し遂げたもう一つの大きな破壊的かつ独創的な進歩である。実験室で二酸化炭素からデンプンを新規に合成することに成功したのは世界初です。

これは我が国の科学分野における二番目の最高傑作です。合成されるのは、私たちの食べ物の主成分でもあるデンプンなどの複雑な有機物質です。

これはまさに破壊的な技術です。「北西の風を飲む」が流行るかもしれません（笑）！今日は、この大きな技術的進歩について皆さんにお話ししたいと思います。

01. この合成の特徴

————————

この論文のタイトルは「二酸化炭素からの無細胞化学酵素デンプン合成」です。

タイトルからも分かるように、この合成の最大の特徴は細胞を使わない（セルフリー）ことです。なぜなら、自然界では細胞が二酸化炭素からデンプンを合成できるからです。これが有名な光合成だということは皆さんもご存知だと思います。

しかし、光合成の問題点は、光合成が完了するには葉緑体が必要であるということです。地球上の生物の大部分、つまり植物や一部の動物にとって、要求条件は非常に高いです。

この研究の特徴は、純粋な工業的/実験室的合成であることです。

この研究のロードマップは次のとおりです。

簡単に言えば、実験は次のようになります。

まず、無機触媒を使用して二酸化炭素をメタノールに還元します。

メタノールは3つの炭素に変換される

次は3つの炭素から6つの炭素を合成する

最終的にデンプンに重合します。

標準的な天然デンプンと比較すると、その構造は基本的に同じである

吸収ピークと核磁気共鳴信号の両方が、この合成デンプンが天然デンプンに非常に近いことを証明しています。

下の写真は合成デンプンの物理的写真です。

02. デンプン合成の重要性

————————

デンプン合成の重要性について、小さなものから大きなものまで話してみましょう。

1. 簡単な手順

この合成には数ステップしか必要ありません。対照的に、自然界では、生物は二酸化炭素からデンプンを合成しますが、これには約 60 の生化学反応と複雑な生理学的調節が必要です。

この人工合成には約 11 のステップが含まれます。

ここで注目すべき重要な点は、科学者が 11 ステップを得るために 60 ステップ以上を削除または削減したのではなく、代わりに新しい経路を設計したということです。彼らはまず、多くの種類の生物の生化学反応から最小限の経路を計算しましたが、この計算された経路と実際の操作におけるさまざまなステップは互換性があまりなく、たとえば、必要な反応条件がまったく同じではありませんでした。科学者たちはモジュール思考を用いて、さまざまな反応プロセスを選択し、この 11 段階の反応経路を解明しました。

2. 高速かつ高効率

この実験室での合成速度は、コーンスターチの 8.5 倍です。

空間的および時間的に分離する化学酵素システムでは、水素によって駆動されるASAPが、総触媒1ミリグラムあたり毎分22ナノモルのCO2の速度でCO2をデンプンに変換します。これはトウモロコシのデンプン合成の約8.5倍の速度です。理論的には、1立方メートルのバイオリアクターの年間デンプン生産量は、我が国の5ムーのトウモロコシ畑の年間デンプン生産量に相当します。この新しい方法により、デンプン生産を伝統的な農業栽培から工業製造へと転換することが可能となり、CO2から複雑な分子を合成する新しい技術的ルートが開かれます。

また、報告によれば、その効率も高いとのことです。自然界でのデンプンの合成効率は約 2% (トウモロコシ) ですが、工業的合成の効率は 10% 以上にまで達することがあります。

研究者たちは、自然の光合成にヒントを得て、太陽エネルギーで水を分解してグリーン水素を生成する技術に基づいた効率的な化学触媒をさらに開発しました。これらは二酸化炭素をメタノールやその他の水に溶けやすい一炭素化合物 (C1) に還元し、光エネルギー - 電気エネルギー - 化学エネルギーの変換を完了します。このプロセスのエネルギー変換効率は10％を超え、光合成のエネルギー利用効率（2％）をはるかに上回り、その後のデンプン合成における生体触媒の使用の理論的基礎も築きました。

3. ビジョン

農業問題の解決: 食糧は人々の第一のニーズです。農業問題は常に人類の生存と関係しています。この工業的方法の使用により、農業に必要な耕作地と淡水資源の問題を解決し、農薬や肥料の使用を回避し、食糧の安全性を向上させることができます。

我が国の耕作地面積は150万平方キロメートルを超え、国土面積の約16％を占めています。つまり、土地面積の5分の1未満となり、残りの5分の4は耕作地として利用できないことになります。このため、私の国の食糧問題は非常に深刻になっています。

この技術により、山間の谷、砂漠、氷原などすべてが農業生産地になることができます。

わが国の水運システムは、古くから穀物やその他の物資の輸送に非常に忙しくしてきました。この技術により、北方、さらに北方でもデンプンを直接生産できるようになり、南北格差は大幅に緩和される。

4. 温室問題？地球温暖化についてはどうですか?

地球温暖化は長年にわたり全人類を悩ませてきた問題であると言えます。

地球温暖化の主な原因は温室効果ガスである二酸化炭素ではないかと懸念する人が多くいます。

工業生産、自動車の排出ガスなどは、すべて二酸化炭素の増加につながる要因です。植物は継続的に二酸化炭素を固定していますが、二酸化炭素排出量ほど高くはありません。

しかし、この技術を使えば二酸化炭素を直接固定することができるので、農業や植物よりもはるかに効率的です。温室効果ガス問題は解決できるのか？

5. より遠い未来

宇宙ステーションや宇宙に行くことさえも解決できます。かつて私たちは、長距離宇宙旅行の問題の解決策として、食料を運ぶか、人間を冬眠させてエネルギー消費を減らすことを考えていました。