0から1へ、中国の科学者が初めて実験室でデンプンの人工合成を達成

制作：中国科学普及協会

プロデューサー：李磊

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

最近、中国科学院天津工業バイオテクノロジー研究所はデンプンの人工合成において大きな進歩を遂げ、世界で初めて二酸化炭素からデンプンの新規合成を達成しました。関連研究は2021年9月24日にトップクラスの国際学術誌「サイエンス」に掲載されました。

デンプンは穀物の主成分です。この技術によって何も持たずに生活することが可能になるのでしょうか?

二酸化炭素人工デンプン合成技術のブレークスルーは将来にどのような影響を与えるのでしょうか、そしてそれはどれほど重要なのでしょうか?

まずは公式の評価を見てみましょう。
これは、1960年代に世界で初めて結晶性ウシインスリンの人工合成に続いて、中国の科学者がデンプンの人工合成で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。

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この合成の最大の特徴は細胞を使用しない（無細胞）ことです。自然界では、細胞は光合成によって二酸化炭素をデンプンに変換します。

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しかし、光合成の問題は、葉緑体が必要であることです。地球上の生物の大多数の中で、これを実現できるのは植物と一部の動物だけです。

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以下のとおりです。

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簡単に言えば、実験は次のようになります。

まず、二酸化炭素を無機触媒でメタノールに還元し、次にメタノールを3つの炭素に変換し、次に3つの炭素を6つの炭素に合成し、最後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す。

吸収ピークと NMR 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。

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下の写真は合成デンプンの実物写真です（中国科学院科学技術写真連盟提供写真）

人工澱粉はどれくらい重要ですか?

小さなものから大きなものまで始めましょう:

1. 簡単な手順

自然界では、生物が二酸化炭素からデンプンを合成するには約 60 の生化学反応と複雑な生理学的調節が必要ですが、この人工合成では 11 ステップしか必要ありません。

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。

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、二酸化炭素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。

さらに合成効率も高いと報告されています。自然界におけるデンプン合成の効率は約 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。

3. ビジョン

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死に関係しています。この合成方法を使用することで、農業に必要な耕作地や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。

わ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％、つまり5分の1未満を占めています。残りの土地は耕作地として使用できず、我が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。

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わが国の水運システムは、古来より穀物やその他の物資の輸送に非常に忙しいものでした。この技術により、作物を栽培する条件が整っていない多くの場所でも、デンプンを直接生産できるようになります。

4. 温室問題、地球温暖化

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。

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地球温暖化を引き起こす主な要因は、温室効果ガスの二酸化炭素です。

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。

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この技術により二酸化炭素を直接固定することができ、農業や植物よりもはるかに効率的です。そうすれば温室効果ガスの問題は解決するのではないでしょうか？

5. より遠い未来

宇宙ステーション、さらには宇宙への旅も保証されます。

これまで、私たちは長距離宇宙旅行の問題に対して 2 つの解決策を思い描いてきました。1 つは十分な食糧を運ぶことです。もう1つは、エネルギー消費を削減するために人間を冬眠させることです。

しかし、目覚めている限り、常に食べ物が必要です。

多くの SF 映画には、宇宙人がジャガイモを植えるために火星に行く「オデッセイ」など、宇宙人が農業をするシーンがあります。

画像出典:『オデッセイ』の静止画

デンプンを人工的に合成する技術があれば、これらの問題はうまく解決できます。不毛の地でも二酸化炭素と関連物質があればデンプンを直接合成することができます。

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例えば、火星の大気は主に二酸化炭素で、96%を占めており、これは単なる新しい穀倉地帯です。

さらに、二酸化炭素自体は人間の代謝の廃棄物であり、直接リサイクルすることができます。

6. 1 つの質問: エネルギー!

デンプンから二酸化炭素への変換は、徐々にエネルギーが放出されるプロセスです。

ブドウ糖は二酸化炭素に変わる

このステップは上流に向かって泳ぐのと同じで、エネルギーを必要とします。

では、エネルギーはどこから来るのでしょうか?

これには新たなエネルギーが必要になるかもしれません。現在、我が国は新エネルギー、特に原子力エネルギーの開発にも積極的に取り組んでおり、50年以内に制御された核融合を実現したいと考えています。

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現在の研究結果はまだ実験段階にあり、この技術が応用されるまでにはまだまだ遠いことを強調しておく必要があります。

しかし、この技術は0から1への画期的なものであり、その重要性は自明です。ファラデーが電磁誘導現象を発見したとき、ある高貴な女性が彼に尋ねました。「電気の用途は何ですか？」

ファラデーは巧みにこう尋ねました。「生まれたばかりの赤ちゃんに何の役に立つのか？」