การสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์สามารถผลิตอาหาร

นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวิธีหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการสังเคราะห์แสงทางชีวภาพ และสร้างอาหารที่ไม่ขึ้นกับแสงแดดโดยใช้การสังเคราะห์ด้วยแสงสังเคราะห์ เทคโนโลยีนี้ใช้กระบวนการอิเล็กโตรคะตาไลติกสองขั้นตอนในการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์ ไฟฟ้า และน้ำให้เป็นอะซิเตท สิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหารจะใช้อะซิเตทในความมืดเพื่อเติบโต ระบบไฮบริดอินทรีย์และอนินทรีย์สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงแสงแดดเป็นอาหารได้มากถึง 18 เท่าสำหรับอาหารบางชนิด

เพื่อที่จะรวมส่วนประกอบทั้งหมดของระบบเข้าด้วยกัน เอาต์พุตของอิเล็กโทรไลเซอร์ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อรองรับการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหาร อิเล็กโทรไลเซอร์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ไฟฟ้าในการแปลงวัตถุดิบ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ ให้เป็นโมเลกุลและผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ ปริมาณอะซิเตทที่ผลิตได้เพิ่มขึ้นในขณะที่ปริมาณเกลือที่ใช้ลดลง ส่งผลให้อะซิเตทมีระดับสูงสุดเท่าที่เคยผลิตในอิเล็กโทรไลเซอร์จนถึงปัจจุบัน

“การใช้การตั้งค่าอิเล็กโทรลิซิส CO2 แบบควบคู่สองขั้นตอนที่ล้ำสมัยซึ่งพัฒนาขึ้นในห้องปฏิบัติการของเรา เราสามารถบรรลุการเลือกสูงต่ออะซิเตทที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ผ่านเส้นทางอิเล็กโทรลิซิส CO2 แบบเดิม” Feng Jiao ผู้เขียนที่เกี่ยวข้องกล่าวที่มหาวิทยาลัย แห่งเดลาแวร์

การทดลองแสดงให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหารได้หลายชนิดสามารถปลูกในที่มืดได้โดยตรงโดยใช้อิเล็กโทรไลเซอร์ที่อุดมด้วยอะซิเตท รวมถึงสาหร่ายสีเขียว ยีสต์ และไมซีเลียมจากเชื้อราที่ผลิตเห็ด การผลิตสาหร่ายด้วยเทคโนโลยีนี้ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าการปลูกด้วยการสังเคราะห์แสงประมาณสี่เท่า การผลิตยีสต์มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากกว่าวิธีการปลูกทั่วไปประมาณ 18 เท่าโดยใช้น้ำตาลที่สกัดจากข้าวโพด

“เราสามารถเติบโตสิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหารได้โดยไม่ต้องมีส่วนร่วมใด ๆ จากการสังเคราะห์ด้วยแสงทางชีวภาพ โดยปกติสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ได้รับการปลูกฝังจากน้ำตาลที่ได้จากพืชหรือปัจจัยการผลิตที่ได้จากปิโตรเลียมซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของการสังเคราะห์ด้วยแสงทางชีวภาพที่เกิดขึ้นเมื่อหลายล้านปีก่อน เทคโนโลยีนี้เป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นอาหาร เมื่อเทียบกับการผลิตอาหารที่ต้องอาศัยการสังเคราะห์ด้วยแสงทางชีวภาพ” Elizabeth Hann ผู้สมัครระดับปริญญาเอกใน Jinkerson Lab และผู้เขียนร่วมของการศึกษากล่าว

นอกจากนี้ยังมีการตรวจสอบศักยภาพในการใช้เทคโนโลยีนี้ในการปลูกพืชผล ถั่วคาว มะเขือเทศ ยาสูบ ข้าว คาโนลา และถั่วลันเตา ล้วนสามารถใช้คาร์บอนจากอะซิเตทได้เมื่อปลูกในที่มืด

“เราพบว่าพืชผลหลายชนิดสามารถนำอะซิเตทที่เราจัดหาให้มาสร้างเป็นหน่วยการสร้างโมเลกุลหลักที่สิ่งมีชีวิตจำเป็นต้องเติบโตและเจริญเติบโตได้ ด้วยการปรับปรุงพันธุ์และวิศวกรรมบางอย่างที่เรากำลังดำเนินการอยู่ เราอาจจะสามารถปลูกพืชผลได้ Marcus Harland-Dunaway ผู้สมัครระดับปริญญาเอกใน Jinkerson Lab และผู้เขียนร่วมของการศึกษากล่าวว่าโดยใช้อะซิเตทเป็นแหล่งพลังงานพิเศษเพื่อเพิ่มผลผลิตพืชผล

โดยการปลดปล่อยการเกษตรจากการพึ่งพาอาศัยแสงอาทิตย์โดยสิ้นเชิง การสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมเปิดประตูสู่ความเป็นไปได้นับไม่ถ้วนสำหรับการปลูกอาหารภายใต้สภาวะที่ยากขึ้นเรื่อยๆ ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศของมนุษย์ ความแห้งแล้ง น้ำท่วม และที่ดินที่ลดลงจะเป็นภัยคุกคามต่อความมั่นคงด้านอาหารของโลกน้อยลง หากพืชผลสำหรับมนุษย์และสัตว์เติบโตในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมและใช้ทรัพยากรน้อยลง พืชผลสามารถปลูกได้ในเมืองและพื้นที่อื่น ๆ ที่ปัจจุบันไม่เหมาะสำหรับการเกษตร และยังจัดหาอาหารสำหรับนักสำรวจอวกาศในอนาคต

“การใช้วิธีการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมเพื่อผลิตอาหารอาจเป็นการเปลี่ยนกระบวนทัศน์สำหรับวิธีการเลี้ยงคน โดยการเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตอาหาร ใช้ที่ดินน้อยลง ลดผลกระทบที่การเกษตรมีต่อสิ่งแวดล้อม และสำหรับการเกษตรในสภาพแวดล้อมที่ไม่ใช่แบบดั้งเดิม เช่นเดียวกับอวกาศ การประหยัดพลังงานที่เพิ่มขึ้นสามารถช่วยเลี้ยงลูกเรือได้มากขึ้นโดยใช้ปัจจัยการผลิตน้อยลง” จินเคอร์สันกล่าว

แนวทางการผลิตอาหารนี้ถูกส่งไปยัง Deep Space Food Challenge ของ NASA ซึ่งเป็นผู้ชนะระยะที่ 1 Deep Space Food Challenge เป็นการแข่งขันระดับนานาชาติที่มอบรางวัลให้กับทีมต่างๆ ในการสร้างสรรค์เทคโนโลยีอาหารที่แปลกใหม่และพลิกโฉมเกม ซึ่งต้องใช้ปัจจัยการผลิตน้อยที่สุดและเพิ่มผลผลิตอาหารที่ปลอดภัย มีคุณค่าทางโภชนาการ และน่ารับประทานสำหรับภารกิจอวกาศระยะยาว

การสังเคราะห์ด้วยแสงมีวิวัฒนาการในพืชมาเป็นเวลาหลายล้านปีเพื่อเปลี่ยนน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และพลังงานจากแสงแดดเป็นชีวมวลของพืชและอาหารที่เรากิน อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ไม่มีประสิทธิภาพมาก โดยมีเพียง 1% ของพลังงานที่พบในแสงแดดที่สิ้นสุดในโรงงาน นักวิทยาศาสตร์จาก UC Riverside และ University of Delaware ได้ค้นพบวิธีหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการสังเคราะห์แสงทางชีวภาพ และสร้างอาหารที่ไม่ขึ้นกับแสงแดดโดยใช้การสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม

งานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน Nature Food ใช้กระบวนการอิเล็กโทรแคตาไลติกสองขั้นตอนในการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์ ไฟฟ้า และน้ำให้เป็นอะซิเตท ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของน้ำส้มสายชู สิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหารจะใช้อะซิเตทในความมืดเพื่อเติบโต เมื่อรวมกับแผงโซลาร์เซลล์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อใช้เป็นพลังงานในการเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า ระบบอินทรีย์-อนินทรีย์แบบไฮบริดนี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงแสงแดดเป็นอาหารได้ มีประสิทธิภาพมากขึ้นถึง 18 เท่าสำหรับอาหารบางชนิด

Robert Jinkerson ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและสิ่งแวดล้อมของ UC Riverside กล่าวว่า “ด้วยแนวทางของเราในการระบุวิธีใหม่ในการผลิตอาหารที่สามารถทำลายขีด จำกัด ที่กำหนดโดยการสังเคราะห์ด้วยแสงทางชีววิทยา

“ลองนึกภาพสักวันหนึ่งเรือขนาดยักษ์ที่ปลูกมะเขือเทศในที่มืดและบนดาวอังคาร มันจะง่ายแค่ไหนสำหรับชาวอังคารในอนาคต” ผู้ร่วมเขียน Martha Orozco-Cárdenas ผู้อำนวยการศูนย์วิจัยการเปลี่ยนแปลงพืช UC Riverside กล่าว

Andres Narvaez, Dang Le และ Sean Overa ก็มีส่วนร่วมในการวิจัยเช่นกัน

การวิจัยได้รับการสนับสนุนโดยสถาบันวิจัยการแปลเพื่อสุขภาพอวกาศ (TRISH) ผ่าน NASA (NNX16AO69A), มูลนิธิเพื่อการวิจัยอาหารและการเกษตร (FFAR), มูลนิธิลิงค์, มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติของสหรัฐอเมริกา และกระทรวงพลังงานสหรัฐ เนื้อหาของเอกสารนี้เป็นความรับผิดชอบของผู้เขียนแต่เพียงผู้เดียว และไม่ได้แสดงถึงความคิดเห็นอย่างเป็นทางการของมูลนิธิเพื่อการวิจัยอาหารและการเกษตร

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ arspiu.com