El almidón es un polisacárido de almacenamiento de energía producido por las plantas durante la fotosíntesis. Su síntesis natural es un proceso bioquímico complejo que involucra más de 60 pasos y cientos de enzimas. La única manera para que el ser humano obtenga almidón hasta 2021 es la agricultura tradicional que ha persistido por más de 10,000 años. Sin embargo, las plantas se han adaptado a bajas concentraciones de dióxido de carbono y bajas densidades de energía lumínica durante la evolución, por lo que la fotosíntesis está destinada a ser ineficiente. Solo el 2% de la energía solar es fijada en almidón teóricamente, mientras que la eficiencia real a menudo es menos del 0.7%. Los rendimientos de los cultivos no solo están limitados por la fotosíntesis, sino también afectados por el clima, las enfermedades y las plagas. A veces, meses o un año de arduo trabajo serán borrados por tifones o sequías. Además, la agricultura no es amigable con el medio ambiente, ya que numerosos recursos de tierra y agua dulce son consumidos. Los pesticidas y fertilizantes destruyen nuestro ecosistema.
¿Cómo está diseñado el método libre de células para el almidón artificial?
Los científicos han comenzado a explorar métodos para hacer almidón artificial sin depender de la fotosíntesis ineficiente. También hay muchos principios subyacentes poco claros, por lo que es inviable imitar directamente la fotosíntesis de las plantas.
Científicos chinos usaron computadoras para diseñar una nueva ruta sintética. Combinaron reacciones bioquímicas existentes basadas en principios de mínima disipación de energía, el menor número de pasos de reacción y la menor pérdida de carbono. Finalmente, se diseñó un proceso artificial de 9 pasos a partir de 6,568 reacciones químicas. Sin embargo, simplemente arrojar estos ingredientes en un recipiente no producirá el almidón que deseamos. Los científicos chinos examinaron cuidadosamente cada paso y encontraron que algunas enzimas eran inhibidas por productos y algunas reacciones eran termodinámicamente desfavorables. Por lo tanto, el proceso se dividió en cuatro módulos colocados en diferentes recipientes. Estos módulos incluyen el módulo C1 para formaldehído, el módulo C3 para fosfato de gliceraldehído, el módulo C6 para glucosa, y el módulo Cn para la síntesis de almidón. Los investigadores también modificaron enzimas de 31 organismos. Cuando la ruta artificial se expandió a 11 pasos para abordar estos problemas, la síntesis de almidón libre de células finalmente fue alcanzable. Los investigadores encontraron que el almidón nativo y el artificial son completamente iguales en sus estructuras, ya que fueron examinados por resonancia magnética nuclear. Esta ruta se llama ASAP 1.0, que es la abreviatura de vía anabólica de almidón artificial.
Su eficiencia es demasiado baja para alcanzar una fracción del proceso natural, y mucho menos para cumplir con la producción industrial. La razón principal es la baja actividad enzimática, la inhibición de ATP y ADP, y la competencia por ATP entre las enzimas. Los científicos chinos modificaron químicamente una de las enzimas y encontraron otras dos de mejor rendimiento en cepas mutantes para crear ASAP 2.0. Esta versión fue 7.6 veces más rápida que ASAP 1.0. Tiene una velocidad comparable al proceso natural en el maíz.
En este punto, los humanos habían logrado con éxito hacer almidón a partir de metanol en laboratorio. El siguiente paso fue acoplar ASAP 2.0 con reacciones químicas que producen metanol a partir de dióxido de carbono y luz solar. Su desafío radica en las tasas desiguales entre la catálisis química y la biosíntesis, por lo que los intermedios acumulados rápidamente siempre debilitan la actividad enzimática. Por lo tanto, el equipo de investigación los colocó en diferentes recipientes y se optimizaron los parámetros de reacción. Es asombroso que el 9% de la energía solar sea absorbida por ASAP 3.0 teóricamente. Su eficiencia real es del 7%, incluso si se tomaron en cuenta las pérdidas como la compresión de gas. ASAP 3.0 sintetiza almidón artificial 8.5 veces más rápido que el maíz. Ahora los humanos podemos declarar con orgullo que realmente convertimos el aire en pan.