นักวิทยาศาสตร์จีนเพิ่มการผลิตแป้งสังเคราะห์สิบเท่า มุ่งสู่การผลิตอาหารในโรงงาน

ผลิตแป้งจากคาร์บอนไดออกไซด์

นักวิจัยจีนเร่งกระบวนการเปลี่ยนก๊าซเสียจากภาคอุตสาหกรรมให้เป็นแป้งที่รับประทานได้อย่างก้าวกระโดด โดยเพิ่มผลิตภาพขึ้นสิบเท่าเมื่อเทียบกับวิธีการที่เป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญของพวกเขาในปี 2021 ความก้าวหน้าดังกล่าวซึ่งรายงานโดยสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน (CAS) ทำให้โลกเข้าใกล้การผลิตแป้งในระดับอุตสาหกรรมโดยไม่ต้องใช้พื้นที่เพาะปลูก พืชผล หรือเกษตรกรรมแบบดั้งเดิม นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันเทคโนโลยีชีวภาพอุตสาหกรรมเทียนจิน (TIB) ปรับปรุงระบบเอนไซม์ไร้เซลล์เพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อน ด้วยความเร็วที่เหนือกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงตามธรรมชาติอย่างมาก การพัฒนานี้อาจพลิกโฉมแนวทางเดิมด้านความมั่นคงทางอาหารของโลก โดยเปิดทางให้ผลิตส่วนประกอบอาหารที่จำเป็นและวัตถุดิบอุตสาหกรรมได้ พร้อมหลีกเลี่ยงต้นทุนด้านสิ่งแวดล้อมจากการทำเกษตรแบบทั่วไป

ทีมวิจัยซึ่งนำโดยศาสตราจารย์ไฉ่ เทา ใช้เวลาห้าปีที่ผ่านมาเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการแบบผสมผสานทางเคมีและชีวเคมีที่เปิดเผยครั้งแรกในวารสาร Science ความสำเร็จครั้งแรกในปี 2021 แสดงให้เห็นการสังเคราะห์แป้งจาก CO2 ด้วยอัตราที่เร็วกว่าต้นข้าวโพด 8.5 เท่า การปรับปรุงล่าสุดเพิ่มผลผลิตดังกล่าวขึ้นอีกสิบเท่า ทำให้เกิดระบบที่มีประสิทธิภาพในระดับที่ก่อนหน้านี้เป็นเพียงการคาดการณ์ทางทฤษฎี วิถีการสร้างแป้งสังเคราะห์ (ASAP) นี้พร้อมท้าทายรูปแบบเกษตรกรรมที่ครองบทบาทในอารยธรรมมนุษย์มานับพันปี

เคมีของการสังเคราะห์ด้วยแสงสังเคราะห์

กระบวนการนี้เลียนแบบธรรมชาติ แต่ตัดความไร้ประสิทธิภาพทางชีวภาพที่เกิดขึ้นในการเติบโตของพืชออกไป แทนที่จะต้องรอหลายเดือนให้ข้าวโพดเติบโตเต็มที่ วิธีการในห้องปฏิบัติการใช้เวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมงในการเปลี่ยนสาร กระบวนการนี้ประกอบด้วยปฏิกิริยาหลัก 11 ขั้นตอน ซึ่งเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ในสถานะก๊าซให้เป็นแป้งพอลิเมอร์ ผ่านลำดับขั้นทางเคมีและเอนไซม์ที่ประสานกันอย่างรอบคอบ

ขั้นแรก ตัวเร่งปฏิกิริยาอนินทรีย์จะรีดิวซ์คาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นเมทานอลภายใต้สภาวะควบคุม จากนั้นโมเลกุลอย่างง่ายนี้จะทำหน้าที่เป็นหน่วยตั้งต้นของปฏิกิริยาเอนไซม์ต่อเนื่องเป็นทอด ๆ ทีมวิจัยคัดเลือกและดัดแปลงเอนไซม์จากสิ่งมีชีวิต 31 ชนิด โดยพิจารณาเอนไซม์ 62 ชนิด เพื่อหา 10 ชนิดที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับงานนี้ เครื่องจักรชีวภาพเหล่านี้เปลี่ยนเมทานอลให้เป็นหน่วยน้ำตาลที่มีคาร์บอนสามอะตอมและหกอะตอม ก่อนนำไปต่อเป็นพอลิเมอร์ชนิดอะไมโลสหรืออะไมโลเพกทิน ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักสองชนิดของแป้งธรรมชาติ

แป้งสังเคราะห์ที่ได้มีองค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติทางกายภาพเหมือนแป้งจากเกษตรกรรม ผลวิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการยืนยันว่าองค์ประกอบและคุณสมบัติตรงกัน หมายความว่าผลิตภัณฑ์สังเคราะห์นี้สามารถใช้แทนแป้งข้าวโพดในอาหาร ยา การผลิตกระดาษ สิ่งทอ กาว และพลาสติกย่อยสลายได้โดยตรง วิธีนี้ยังเปิดทางให้กำหนดองค์ประกอบของแป้งได้ตามต้องการ ซึ่งอาจนำไปสู่การผลิตแป้งชนิดที่มีอัตราการย่อยหรือคุณสมบัติการใช้งานเฉพาะตามความต้องการของอุตสาหกรรม

จากห้องปฏิบัติการสู่โรงงาน

การต่อยอดความสำเร็จในห้องปฏิบัติการไปสู่การใช้เชิงพาณิชย์มีความท้าทายมากกว่าความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์เพียงอย่างเดียว ศาสตราจารย์ไฉ่ เทา กล่าวถึงความยากในการขยายกำลังการผลิตระหว่างให้สัมภาษณ์กับ China Science Daily โดยอธิบายว่าการเปลี่ยนจากการพิสูจน์แนวคิดไปสู่การใช้งานในอุตสาหกรรมต้องเอาชนะอุปสรรคด้านเศรษฐกิจที่สำคัญ

การเริ่มต้นจากศูนย์จนเกิดผลสำเร็จนั้นยาก การลดต้นทุนก็ยาก และการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมให้ได้ในท้ายที่สุดยิ่งยากกว่าเดิม อย่างไรก็ตาม เรายังต้องก้าวขึ้นมารับมือกับความท้าทายนี้

อุปสรรคหลักคือต้นทุนเอนไซม์ ในระบบดั้งเดิมเมื่อปี 2021 เอนไซม์สำคัญเพียงชนิดเดียวคิดเป็นครึ่งหนึ่งของต้นทุนวัตถุดิบทั้งหมด ทีมงานมุ่งแก้ปัญหาคอขวดนี้อย่างจริงจัง โดยใช้ปัญญาประดิษฐ์คัดกรองเอนไซม์สายพันธุ์ที่เสถียรและมีประสิทธิภาพมากขึ้น พร้อมพัฒนาวิธีนำตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพกลับมาใช้ซ้ำ การปรับปรุงเหล่านี้ช่วยลดปริมาณเอนไซม์ที่ต้องใช้ลงอย่างมาก โดยยังคงประสิทธิภาพของปฏิกิริยาไว้ได้

นักวิจัยยังปรับสภาวะของปฏิกิริยาให้เหมาะสมเพื่อลดต้นทุนพลังงาน กระบวนการดำเนินงานภายใต้สภาวะห้องปฏิบัติการที่ควบคุมได้ จึงให้ผลผลิตที่คาดการณ์ได้และไม่ได้รับผลกระทบจากสภาพอากาศ ฤดูกาล หรือความเปลี่ยนแปลงของภูมิอากาศ ความสม่ำเสมอนี้แตกต่างอย่างชัดเจนจากการผลิตทางเกษตร ซึ่งภัยแล้ง น้ำท่วม และศัตรูพืชอาจสร้างความเสียหายอย่างหนักต่อผลผลิตประจำปี

พลิกโฉมเศรษฐศาสตร์การเกษตร

การประหยัดทรัพยากรที่อาจเกิดขึ้นมีขอบเขตกว้างกว่าตัวชี้วัดประสิทธิภาพทั่วไป จากการคำนวณของทีม TIB เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดหนึ่งลูกบาศก์เมตรอาจผลิตแป้งได้เทียบเท่าผลผลิตรายปีจากไร่ข้าวโพดราวหนึ่งในสามเฮกตาร์ในทางทฤษฎี หากลดต้นทุนการผลิตให้แข่งขันกับการทำเกษตรแบบดั้งเดิมได้ เทคโนโลยีนี้อาจลดความจำเป็นในการใช้พื้นที่เพาะปลูกและน้ำจืดที่ปัจจุบันใช้ผลิตแป้งลงได้มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์

การเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดินดังกล่าวส่งผลอย่างลึกซึ้งต่อเกษตรกรรมทั่วโลก ปัจจุบันการผลิตแป้งอุตสาหกรรมพึ่งพาข้าวโพดเกือบทั้งหมด ซึ่งต้องใช้พื้นที่เพาะปลูกขนาดใหญ่ ระบบชลประทานเข้มข้น และปุ๋ยกับยาฆ่าแมลงจำนวนมาก การแย่งชิงพื้นที่เพาะปลูกที่มีจำกัดระหว่างพืชอาหารกับวัตถุดิบสำหรับอุตสาหกรรมทวีความรุนแรงขึ้น ขณะที่ประชากรโลกเพิ่มขึ้นและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศคุกคามผลผลิตทางการเกษตร

หม่า เหยียนเหอ ผู้อำนวยการผู้ก่อตั้ง TIB กล่าวถึงวิสัยทัศน์เบื้องหลังงานวิจัยนี้ในแถลงการณ์เมื่อปี 2021 ซึ่งยังคงมีความสำคัญในปัจจุบัน เขาระบุว่าการทำให้เป็นอุตสาหกรรมเป็นทั้งอุดมคติแรกเริ่มและเป้าหมายสูงสุดของโครงการ พร้อมย้ำว่าทีมจะไม่ละทิ้งความพยายาม แม้ต้องเผชิญความยากลำบากระหว่างการพัฒนา

ประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมยิ่งเพิ่มขึ้นเมื่อพิจารณาผลต่อวัฏจักรคาร์บอน แทนที่จะปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์สู่ชั้นบรรยากาศ กระบวนการนี้กลับใช้ก๊าซดังกล่าวเป็นวัตถุดิบ หากใช้ไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียน ระบบนี้อาจผลิตแป้งโดยมีคาร์บอนสุทธิติดลบ ซึ่งหมายถึงการดึงก๊าซเรือนกระจกออกจากบรรยากาศไปพร้อมกับการผลิตสินค้าที่มีมูลค่า งานวิจัยปี 2023 ของทีมเดียวกันที่ตีพิมพ์ใน Science Bulletin แสดงให้เห็นว่าระบบมีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงกว่าระบบพืชธรรมชาติ 3.5 เท่า และมีอัตราการสังเคราะห์เร็วกว่า 23 เท่า

แนวทางชีวภาพทางเลือก

แม้แนวทางที่ใช้เอนไซม์จะได้รับความสนใจจากสื่อเป็นส่วนใหญ่ แต่งานวิจัยคู่ขนานก็แสดงให้เห็นเส้นทางอื่นที่เป็นไปได้ในการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นแป้ง นักวิทยาศาสตร์พัฒนาวิธีทางเลือกโดยใช้ยีสต์ดัดแปลงพันธุกรรม โดยเฉพาะสายพันธุ์สะสมไขมัน Yarrowia lipolytica เพื่อผลิตสิ่งที่เรียกว่า "ไมโครเกรนที่อุดมด้วยแป้ง"

แนวทางชีวภาพนี้ปรับเปลี่ยนกระบวนการเผาผลาญของยีสต์ให้สะสมแป้งได้มากถึง 47 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักแห้งของเซลล์ นักวิจัยปรับเส้นทางการสังเคราะห์แป้งและการสร้างกลูโคสใหม่ พร้อมเปลี่ยนรูปร่างเซลล์ให้มีขนาดใหญ่ขึ้น ทำให้ได้ผลิตภาพเชิงพื้นที่และเวลาเพิ่มขึ้นราว 50 เท่าเมื่อเทียบกับการเพาะปลูกพืชแบบดั้งเดิม วิธีใช้ยีสต์อาศัยอะซีเตต ซึ่งสามารถสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้าจากคาร์บอนไดออกไซด์โดยใช้พลังงานหมุนเวียน จึงเป็นอีกแนวทางหนึ่งในการผลิตอาหารที่มีคาร์บอนสุทธิติดลบ

ยีสต์ดัดแปลงพันธุกรรมสามารถใช้อะซีเตตร่วมกับของเสียทางการเกษตร เช่น ฟาง เพื่อเปลี่ยนเซลลูโลสให้เป็นแป้งที่รับประทานได้ ความสามารถนี้ช่วยแก้ปัญหาอีกด้านของภาคเกษตร นั่นคือการใช้ประโยชน์จากเศษเหลือของพืชผลได้ไม่เต็มที่ แม้แนวทางที่ใช้เอนไซม์และจุลินทรีย์จะมีกระบวนการต่างกัน แต่ทั้งคู่มีเป้าหมายร่วมกันคือแยกการผลิตอาหารออกจากการทำเกษตรแบบดั้งเดิม

บริบทระดับชาติและผลกระทบทั่วโลก

การลงทุนของจีนในเทคโนโลยีแป้งสังเคราะห์สะท้อนแรงกดดันระดับประเทศที่ชัดเจน จีนต้องเลี้ยงประชากรที่มีจำนวนมากที่สุดในโลก โดยมีพื้นที่เพาะปลูกและทรัพยากรน้ำต่อหัวจำกัด กิจกรรมทางการเกษตรมีส่วนสำคัญต่อการปล่อยคาร์บอนของประเทศ ทั้งจากการผลิตปุ๋ย การใช้เชื้อเพลิงในเครื่องจักร การปล่อยก๊าซมีเทนจากการปลูกข้าว และระบบชลประทานที่ใช้พลังงานสูง

ข้อมูลช่วงปี 2005 ถึง 2021 แสดงให้เห็นว่าจีนดำเนินการบริหารจัดการเกษตรกรรมควบคู่กันสองระดับ โดยผสานแปลงเกษตรขนาดใหญ่ขึ้นเข้ากับบริการวิชาชีพร่วมกัน เพื่อลดความเข้มข้นของการปล่อยคาร์บอนโดยยังคงรักษาผลผลิตไว้ อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงเหล่านี้อาจยังไม่เพียงพอเมื่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศทวีความรุนแรงและพื้นที่เพาะปลูกเสื่อมโทรม แป้งสังเคราะห์เป็นอีกแนวทางเสริมที่อาจช่วยคืนพื้นที่หลายล้านเฮกตาร์ให้แก่การฟื้นฟูระบบนิเวศหรือการเพาะปลูกพืชอาหาร ขณะเดียวกันก็ตอบสนองความต้องการคาร์โบไฮเดรตของภาคอุตสาหกรรม

เทคโนโลยีนี้ยังสอดคล้องกับการเปลี่ยนผ่านด้านพลังงานในวงกว้างของจีน เมื่อประเทศขยายการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนและลดการปล่อยก๊าซจากภาคพลังงาน พลังงานสะอาดที่มีมากขึ้นก็ทำให้เทคโนโลยีดักจับและใช้ประโยชน์จากคาร์บอนมีความเป็นไปได้มากขึ้น กระบวนการเปลี่ยน CO2 เป็นแป้งต้องใช้พลังงาน โดยเฉพาะในการเปลี่ยนขั้นต้นเป็นเมทานอลและผลิตไฮโดรเจนด้วยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า หากใช้พลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลม ระบบนี้จะกักเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ในพันธะเคมีได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้เกิดรูปแบบการกักเก็บพลังงานในอาหาร

ประเด็นสำคัญ

• นักวิทยาศาสตร์จีนจากสถาบันเทคโนโลยีชีวภาพอุตสาหกรรมเทียนจินเพิ่มผลิตภาพการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นแป้งขึ้นสิบเท่า เมื่อเทียบกับวิธีที่เป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในปี 2021
• กระบวนการสังเคราะห์ใช้ขั้นตอนของเอนไซม์ 11 ขั้นเพื่อเปลี่ยน CO2 เป็นแป้งที่เหมือนกับผลิตภัณฑ์ทางการเกษตร โดยทำงานเร็วขึ้นราว 85 เท่าเมื่อเทียบกับการสังเคราะห์ตามธรรมชาติในข้าวโพด
• เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดหนึ่งลูกบาศก์เมตรอาจผลิตแป้งได้เทียบเท่าผลผลิตรายปีจากไร่ข้าวโพดหนึ่งในสามเฮกตาร์ในทางทฤษฎี และอาจช่วยประหยัดพื้นที่เพาะปลูกกับน้ำที่ใช้ในการผลิตแป้งแบบดั้งเดิมได้มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์
• ทีมวิจัยใช้ปัญญาประดิษฐ์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเอนไซม์และลดต้นทุน โดยมุ่งแก้อุปสรรคหลักต่อการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมเชิงพาณิชย์
• งานวิจัยคู่ขนานที่ใช้ยีสต์ดัดแปลงพันธุกรรมเสนอแนวทางชีวภาพทางเลือก ซึ่งมีผลิตภาพเชิงพื้นที่สูงกว่าการเพาะปลูกพืช 50 เท่า และใช้อะซีเตตที่สังเคราะห์ด้วยไฟฟ้าเป็นวัตถุดิบ
• เทคโนโลยีนี้อาจลดการปล่อยคาร์บอนจากภาคเกษตร ยุติการแข่งขันแย่งพื้นที่เพาะปลูกระหว่างพืชอาหารกับพืชอุตสาหกรรม และเปิดทางสู่การผลิตที่มีคาร์บอนสุทธิติดลบเมื่อใช้พลังงานหมุนเวียน