செயற்கை மாவுச்சத்து உற்பத்தியைப் பத்து மடங்கு அதிகரித்த சீன விஞ்ஞானிகள்; தொழிற்சாலைகளில் உணவு தயாரிக்கும் பாதையில் முன்னேற்றம்

கார்பன் டை ஆக்சைடிலிருந்து மாவுச்சத்து தயாரித்தல்

தொழிற்சாலைகளில் இருந்து வெளியேறும் கழிவு வாயுவை உண்ணக்கூடிய மாவுச்சத்தாக மாற்றும் செயல்முறையைச் சீன ஆய்வாளர்கள் பெருமளவு விரைவுபடுத்தியுள்ளனர். இதன் மூலம், 2021ஆம் ஆண்டில் அவர்கள் அறிமுகப்படுத்திய முன்னோடி முறையுடன் ஒப்பிடுகையில் உற்பத்தித்திறன் பத்து மடங்கு அதிகரித்துள்ளது. சீன அறிவியல் அகாடமி (CAS) தெரிவித்துள்ள இந்த முன்னேற்றம், விவசாய நிலங்கள், பயிர்கள் அல்லது பாரம்பரிய வேளாண்மை இல்லாமலேயே தொழில்துறை அளவில் மாவுச்சத்து தயாரிக்கும் இலக்கை உலகை நெருங்கச் செய்கிறது. தியான்ஜின் தொழில்துறை உயிரித் தொழில்நுட்பக் கழகத்தின் (TIB) விஞ்ஞானிகள், கார்பன் டை ஆக்சைடைச் சிக்கலான கார்போஹைட்ரேட்டாக மாற்றும் தங்களது செல்-இல்லா நொதி அமைப்பை மேம்படுத்தியுள்ளனர். இதன் வேகம் இப்போது இயற்கை ஒளிச்சேர்க்கையின் வேகத்தைப் பல மடங்கு விஞ்சுகிறது. உலகளாவிய உணவுப் பாதுகாப்பில் இந்த வளர்ச்சி ஒரு பெரிய மாற்றத்தை ஏற்படுத்தக்கூடும். வழக்கமான வேளாண்மையின் சுற்றுச்சூழல் செலவுகளைத் தவிர்த்து, அத்தியாவசிய உணவுப் பொருட்களையும் தொழில்துறை மூலப்பொருட்களையும் தயாரிப்பதற்கான வழியை இது வழங்குகிறது.

பேராசிரியர் சாய் தாவோ தலைமையிலான ஆய்வுக் குழு, Science இதழில் முதன்முதலில் வெளியிடப்பட்ட வேதியியல்-உயிர்வேதியியல் கலப்புப் பாதையை மேம்படுத்துவதற்காகக் கடந்த ஐந்து ஆண்டுகளாகப் பணியாற்றி வருகிறது. 2021ஆம் ஆண்டின் அவர்களது முன்னோடி ஆய்வு, சோளச் செடிகளைவிட 8.5 மடங்கு வேகத்தில் CO2-இலிருந்து மாவுச்சத்தைத் தயாரிக்க முடியும் எனக் காட்டியது. சமீபத்திய மேம்பாடுகள் உற்பத்தியை மேலும் பத்து மடங்கு பெருக்கியுள்ளன. இதன் விளைவாக, முன்பு கோட்பாட்டு ஊகங்களாக மட்டுமே கருதப்பட்ட செயல்திறனை எட்டும் ஓர் அமைப்பு உருவாகியுள்ளது. செயற்கை மாவுச்சத்து உருவாக்கப் பாதை (ASAP), ஆயிரக்கணக்கான ஆண்டுகளாக மனித நாகரிகத்தில் ஆதிக்கம் செலுத்திய வேளாண்மை முறைக்கு மாற்றாக அமையும் நிலையை எட்டியுள்ளது.

செயற்கை ஒளிச்சேர்க்கையின் வேதியியல்

இந்தச் செயல்முறை இயற்கையைப் பின்பற்றுகிறது; ஆனால் தாவர வளர்ச்சியில் இயல்பாக உள்ள உயிரியல் செயல்திறன் குறைபாடுகளை நீக்குகிறது. சோளம் முதிர்வதற்காக மாதக்கணக்கில் காத்திருப்பதற்குப் பதிலாக, ஆய்வக முறை சில மணி நேரங்களில் மாற்றத்தை நிறைவு செய்கிறது. வாயுநிலை கார்பன் டை ஆக்சைடை, வேதியியல் மற்றும் நொதி வினைகள் கவனமாக ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட தொடரின் மூலம் பலபடிச் மாவுச்சத்தாக மாற்றும் பதினொரு முக்கிய வினைகள் இந்தப் பாதையில் உள்ளன.

முதலில், கட்டுப்படுத்தப்பட்ட சூழலில் கனிம வினையூக்கி ஒன்று கார்பன் டை ஆக்சைடை மெத்தனாலாக ஒடுக்குகிறது. இந்த எளிய மூலக்கூறு, அடுத்தடுத்த நொதி வினைகளுக்கான கட்டுமானப் பொருளாகச் செயல்படுகிறது. முப்பத்தொரு வெவ்வேறு உயிரினங்களிலிருந்து நொதிகளை ஆய்வுக் குழு பெற்று, அவற்றைப் பொறியியல் முறையில் மேம்படுத்தியது. அறுபத்திரண்டு நொதி வேட்பாளர்களைத் தேர்ந்தெடுத்து மாற்றியமைத்து, இப்பணிக்கு மிகச் சிறப்பாகச் செயல்படும் பத்து வினையூக்கிகளை அடையாளம் கண்டது. இந்த உயிரியல் இயந்திரங்கள் மெத்தனாலை மூன்று-கார்பன் மற்றும் ஆறு-கார்பன் சர்க்கரை அலகுகளாக மாற்றுகின்றன. பின்னர் அவை ஒன்றிணைக்கப்பட்டு, இயற்கை மாவுச்சத்தின் இரண்டு முக்கியக் கூறுகளான அமிலோஸ் அல்லது அமிலோபெக்டினாக உருவாகின்றன.

இதன் விளைவாக உருவாகும் செயற்கை மாவுச்சத்து, வேதியியல் மற்றும் இயற்பியல் பண்புகளில் வேளாண்மையில் கிடைக்கும் மாவுச்சத்துக்கு ஒத்ததாக உள்ளது. அதன் கலவையும் பண்புகளும் பொருந்துவதை ஆய்வகப் பகுப்பாய்வுகள் உறுதிப்படுத்துகின்றன. எனவே, உணவுப் பொருட்கள், மருந்துகள், காகிதத் தயாரிப்பு, துணிகள், பசைகள் மற்றும் மட்கக்கூடிய நெகிழிப் பொருட்களில் சோள மாவுச்சத்துக்கு மாற்றாக இந்தச் செயற்கைப் பொருளைப் பயன்படுத்தலாம். மாவுச்சத்தின் கலவையைத் தேவைக்கேற்ப மாற்றவும் இந்த முறை வழிவகுக்கிறது. இதனால், தொழில்துறைத் தேவைகளுக்கு ஏற்ற குறிப்பிட்ட செரிமான வேகம் அல்லது செயல்பாட்டுப் பண்புகளைக் கொண்ட வகைகளைத் தயாரிக்க முடியும்.

ஆய்வகத்திலிருந்து தொழிற்சாலைக்கு

ஆய்வக வெற்றியை வணிகரீதியாகச் சாத்தியமானதாக மாற்றுவதில், அறிவியல் முன்னேற்றத்தைவிடப் பெரிய சவால்கள் உள்ளன. சீன அறிவியல் நாளிதழுக்கு அளித்த நேர்காணலில், தொழில்துறை அளவுக்கு விரிவுபடுத்துவதில் உள்ள சிரமத்தைப் பேராசிரியர் சாய் தாவோ ஒப்புக்கொண்டார். கருத்துச் சான்றிலிருந்து தொழில்துறைப் பயன்பாட்டுக்குச் செல்வதற்கு குறிப்பிடத்தக்க பொருளாதாரத் தடைகளைக் கடக்க வேண்டியுள்ளது என்றும் அவர் விளக்கினார்.

பூஜ்ஜியத்திலிருந்து ஒன்றை எட்டுவது கடினம்; செலவைக் குறைப்பது கடினம்; இறுதியில் தொழில்துறைப் பயன்பாட்டைச் சாத்தியமாக்குவது அதைவிடக் கடினம். இருந்தாலும், இந்தச் சவாலை நாம் எதிர்கொள்ள வேண்டும்.

நொதிகளின் விலையே முக்கியத் தடையாக உள்ளது. 2021ஆம் ஆண்டின் தொடக்க அமைப்பில், ஒரே ஒரு முக்கிய நொதிக்கே மொத்தப் பொருள் செலவில் பாதி தேவைப்பட்டது. இந்த இடையூறைக் குறைப்பதில் ஆய்வுக் குழு தீவிரமாக ஈடுபட்டுள்ளது. மேலும் நிலையான, திறமையான நொதி வகைகளைத் தேடிச் செயற்கை நுண்ணறிவைப் பயன்படுத்துவதோடு, உயிரியல் வினையூக்கிகளை மீண்டும் பயன்படுத்தும் முறைகளையும் உருவாக்கி வருகிறது. இந்த மேம்பாடுகள், வினைத் திறனைத் தக்கவைத்தபடி தேவைப்படும் நொதிகளின் அளவைப் பெருமளவு குறைத்துள்ளன.

ஆற்றல் செலவைக் குறைக்க வினைச் சூழல்களையும் ஆய்வாளர்கள் மேம்படுத்தியுள்ளனர். கட்டுப்படுத்தப்பட்ட ஆய்வகச் சூழலில் இந்தச் செயல்முறை நடைபெறுவதால், வானிலை, பருவநிலை அல்லது காலநிலை மாற்றங்களால் பாதிக்கப்படாத கணிக்கக்கூடிய விளைச்சலைப் பெற முடிகிறது. வறட்சி, வெள்ளம், பூச்சிகள் ஆகியவற்றால் ஆண்டு விளைச்சல் கடுமையாகப் பாதிக்கப்படக்கூடிய வேளாண் உற்பத்தியுடன் ஒப்பிடுகையில், இந்த நிலைத்தன்மை குறிப்பிடத்தக்க வேறுபாடாகும்.

வேளாண் பொருளாதாரத்தை மறுவரையறுத்தல்

இந்தத் தொழில்நுட்பம் வளங்களைச் சேமிக்கக்கூடிய சாத்தியம், செயல்திறன் கணக்கீடுகளைத் தாண்டியும் விரிகிறது. TIB குழுவின் கணக்கீடுகளின்படி, ஒரு கன மீட்டர் கொள்ளளவுள்ள உயிர்வினைக் கலன், சுமார் மூன்றில் ஒரு ஹெக்டேர் சோள வயலின் ஓராண்டு மாவுச்சத்து உற்பத்திக்கு இணையான அளவை கோட்பாட்டளவில் தயாரிக்க முடியும். உற்பத்திச் செலவைப் பாரம்பரிய வேளாண்மையுடன் போட்டியிடக்கூடிய அளவுக்குக் குறைக்க முடிந்தால், மாவுச்சத்து உற்பத்திக்காக தற்போது பயன்படுத்தப்படும் பயிரிடும் நிலத்திலும் நன்னீரிலும் தொண்ணூறு சதவீதத்திற்கும் மேலான தேவையை இந்தத் தொழில்நுட்பம் நீக்கக்கூடும்.

நிலப் பயன்பாட்டில் ஏற்படும் இந்த மாற்றம் உலக வேளாண்மையில் ஆழமான தாக்கங்களை ஏற்படுத்தும். தற்போது தொழில்துறை மாவுச்சத்து உற்பத்தி கிட்டத்தட்ட முழுமையாகச் சோளத்தையே சார்ந்துள்ளது. சோளத்துக்கு விரிந்த விளைநிலங்கள், தீவிரப் பாசனம், அதிக அளவு உரங்கள் மற்றும் பூச்சிக்கொல்லிகள் தேவைப்படுகின்றன. உலக மக்கள் தொகை அதிகரிக்கவும், காலநிலை மாற்றம் வேளாண் விளைச்சலை அச்சுறுத்தவும், குறைந்த விளைநிலங்களுக்காக உணவுப் பயிர்களுக்கும் தொழில்துறை மூலப்பொருள் பயிர்களுக்கும் இடையிலான போட்டி தீவிரமடைந்துள்ளது.

TIB-இன் நிறுவன இயக்குநரான மா யான்ஹே, 2021ஆம் ஆண்டு வெளியிட்ட அறிக்கையில் இந்த ஆய்வை வழிநடத்தும் தொலைநோக்குப் பார்வையை விளக்கினார். அது இன்றும் பொருத்தமானதாக உள்ளது. தொழில்மயமாக்கல் என்பது திட்டத்தின் தொடக்கக் கனவும் இறுதி இலக்கும் என்று குறிப்பிட்ட அவர், மேம்பாட்டின்போது எதிர்கொண்ட சிரமங்கள் இருந்தபோதிலும் இந்த முயற்சியைக் கைவிடப் போவதில்லை என்று தெரிவித்தார்.

கார்பன் சுழற்சியில் ஏற்படும் விளைவுகளைக் கருத்தில் கொள்ளும்போது சுற்றுச்சூழல் நன்மைகள் மேலும் அதிகரிக்கின்றன. கார்பன் டை ஆக்சைடை வளிமண்டலத்தில் வெளியிடுவதற்குப் பதிலாக, இந்தச் செயல்முறை அதை மூலப்பொருளாகப் பயன்படுத்துகிறது. புதுப்பிக்கத்தக்க மின்சாரத்தில் இயங்கும்போது, இந்த அமைப்பு கார்பன்-எதிர்மறை மாவுச்சத்து உற்பத்தியைச் சாத்தியமாக்கி, மதிப்புமிக்க பொருட்களைத் தயாரிக்கும்போதே பசுங்குடில் வாயுக்களை வளிமண்டலத்திலிருந்து அகற்றக்கூடும். இதே குழு Science Bulletin இதழில் வெளியிட்ட 2023ஆம் ஆண்டின் ஆய்வு, அவர்களது அமைப்பு இயற்கைத் தாவர அமைப்புகளைவிட 3.5 மடங்கு அதிக ஆற்றல் திறனையும், 23 மடங்கு வேகமான தொகுப்பு விகிதத்தையும் எட்ட முடியும் எனக் காட்டியது.

மாற்று உயிரியல் வழிமுறைகள்

நொதி முறையே தலைப்புச் செய்திகளில் இடம்பெற்றாலும், கார்பன் டை ஆக்சைடிலிருந்து மாவுச்சத்தை உருவாக்குவதற்கான பிற சாத்தியமான வழிகளும் இணையாக ஆய்வு செய்யப்படுகின்றன. பொறியியல் முறையில் மாற்றியமைக்கப்பட்ட ஈஸ்டைப் பயன்படுத்தி, "மாவுச்சத்து நிறைந்த நுண்தானியம்" என அவர்கள் குறிப்பிடும் பொருளை உருவாக்கும் மாற்று முறையை விஞ்ஞானிகள் உருவாக்கியுள்ளனர். இதற்காக எண்ணெய் உற்பத்தி செய்யும் Yarrowia lipolytica ஈஸ்ட் வகை பயன்படுத்தப்படுகிறது.

இந்த உயிரியல் அணுகுமுறை, ஈஸ்டின் வளர்சிதை மாற்றத்தை மாற்றியமைத்து, அதன் உலர் எடையில் 47 சதவீதம் வரை மாவுச்சத்தைச் சேமிக்கச் செய்கிறது. மாவுச்சத்து உயிர்த்தொகுப்பு மற்றும் குளுக்கோனியோஜெனெசிஸ் பாதைகளை மாற்றியமைத்து, உயிரணுக்களின் அளவை அதிகரிக்க அவற்றின் வடிவியலைக் கையாள்வதன் மூலம், பாரம்பரியப் பயிர் சாகுபடியைவிட இடம்-கால அடிப்படையிலான உற்பத்தித்திறனை சுமார் ஐம்பது மடங்கு அதிகரிக்க ஆய்வாளர்கள் வெற்றி பெற்றனர். ஈஸ்ட் முறையில் அசிட்டேட் பயன்படுத்தப்படுகிறது. புதுப்பிக்கத்தக்க மின்சாரத்தைப் பயன்படுத்தி கார்பன் டை ஆக்சைடிலிருந்து மின்னியக்கத் தொகுப்பு மூலம் அசிட்டேட்டை உருவாக்கலாம். இது கார்பன்-எதிர்மறை உணவு உற்பத்திக்கான மற்றொரு வழியை உருவாக்குகிறது.

அசிட்டேட்டுடன் சேர்த்துப் பயன்படுத்தும்போது, பொறியியல் முறையில் மாற்றியமைக்கப்பட்ட ஈஸ்ட் வைக்கோல் போன்ற வேளாண் கழிவுகளையும் உண்ணக்கூடும். இதன் மூலம் செல்லுலோஸை உண்ணக்கூடிய மாவுச்சத்தாக மாற்றலாம். பயிர்க் கழிவுகள் போதிய அளவு பயன்படுத்தப்படாதது என்ற மற்றொரு வேளாண் சவாலுக்கும் இந்தத் திறன் தீர்வளிக்கிறது. நொதி மற்றும் நுண்ணுயிர் அணுகுமுறைகள் முறையில் வேறுபட்டாலும், இரண்டும் உணவு உற்பத்தியைப் பாரம்பரிய வேளாண்மையிலிருந்து பிரிப்பதையே பொதுவான இலக்காகக் கொண்டுள்ளன.

தேசியச் சூழலும் உலகளாவிய தாக்கங்களும்

செயற்கை மாவுச்சத்து தொழில்நுட்பத்தில் சீனா முதலீடு செய்வது, நாட்டின் கடுமையான தேவைகளைப் பிரதிபலிக்கிறது. தனிநபர் அடிப்படையில் குறைந்த அளவு விளைநிலங்களும் நீர்வளங்களும் உள்ள நிலையில், உலகிலேயே அதிக மக்கள்தொகையைக் கொண்ட நாட்டுக்கு உணவளிக்க வேண்டியுள்ளது. உர உற்பத்தி, இயந்திரங்களுக்கான எரிபொருள் பயன்பாடு, நெல் சாகுபடியிலிருந்து வெளியாகும் மீத்தேன், அதிக ஆற்றல் தேவைப்படும் பாசன அமைப்புகள் ஆகியவற்றின் மூலம் வேளாண் நடவடிக்கைகள் நாட்டின் கார்பன் வெளியேற்றத்துக்கு கணிசமாகப் பங்களிக்கின்றன.

2005 முதல் 2021 வரையிலான அண்மைக் காலத் தரவுகளின்படி, உற்பத்தியைப் பராமரித்தபடி கார்பன் தீவிரத்தைக் குறைக்க, பெரிய விளைநிலப் பண்ணைகளையும் பகிரப்பட்ட தொழில்முறைச் சேவைகளையும் இணைக்கும் இரட்டை அளவிலான வேளாண்மை நிர்வாகத்தைச் சீனா பின்பற்றியுள்ளது. இருப்பினும், காலநிலை மாற்றம் தீவிரமடைந்து விளைநிலங்கள் சீரழிவை எதிர்கொள்ளும்போது, இந்த மேம்பாடுகள் போதுமானதாக இல்லாமல் போகலாம். தொழில்துறைத் தேவையைப் பூர்த்தி செய்வதோடு, கோடிக்கணக்கான ஹெக்டேர் நிலங்களைச் சூழலமைப்பை மீட்டெடுப்பதற்கோ உணவுப் பயிர்களை வளர்ப்பதற்கோ விடுவிக்கும் துணை உத்தியாகச் செயற்கை மாவுச்சத்து அமையக்கூடும்.

சீனாவின் பரந்த ஆற்றல் மாற்றத்துடனும் இந்தத் தொழில்நுட்பம் ஒத்துப்போகிறது. புதுப்பிக்கத்தக்க மின்சார உற்பத்தியை நாடு விரிவுபடுத்தி, மின்சாரத் துறையின் வெளியேற்றத்தைக் குறைக்கும்போது, தூய்மையான ஆற்றல் கிடைப்பது கார்பன் பிடிப்பு மற்றும் பயன்பாட்டுத் தொழில்நுட்பங்களை அதிகச் சாத்தியமுடையதாக்குகிறது. CO2-ஐ மாவுச்சத்தாக மாற்றும் செயல்முறைக்கு, குறிப்பாக ஆரம்பத்தில் மெத்தனாலாக மாற்றுவதற்கும் நீரை மின்னாற்பகுப்பு செய்து ஹைட்ரஜன் தயாரிப்பதற்கும் ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது. சூரிய அல்லது காற்றாலை ஆற்றலில் இயங்கும்போது, இந்த அமைப்பு மின்சார ஆற்றலை வேதிப் பிணைப்புகளில் சேமித்து, உணவு அடிப்படையிலான ஆற்றல் சேமிப்பு வடிவத்தை உருவாக்குகிறது.

முக்கிய அம்சங்கள்

• தியான்ஜின் தொழில்துறை உயிரித் தொழில்நுட்பக் கழகத்தின் சீன விஞ்ஞானிகள், 2021ஆம் ஆண்டின் முன்னோடி முறையுடன் ஒப்பிடுகையில் கார்பன் டை ஆக்சைடை மாவுச்சத்தாக மாற்றும் உற்பத்தித்திறனைப் பத்து மடங்கு அதிகரித்துள்ளனர்.
• செயற்கைச் செயல்முறை, பதினொரு நொதி நிலைகளைப் பயன்படுத்தி CO2-ஐ வேளாண் முறையில் தயாரிக்கப்படும் மாவுச்சத்துக்கு ஒத்த மாவுச்சத்தாக மாற்றுகிறது. இதன் வேகம் இயற்கையான சோள மாவுச்சத்து உருவாக்கத்தைவிட இப்போது சுமார் 85 மடங்கு அதிகம்.
• ஒரு கன மீட்டர் உயிர்வினைக் கலன், மூன்றில் ஒரு ஹெக்டேர் சோள வயலின் ஓராண்டு மாவுச்சத்து உற்பத்திக்கு இணையாகக் கோட்பாட்டளவில் உற்பத்தி செய்யக்கூடும். இதனால் பாரம்பரிய மாவுச்சத்து உற்பத்தியில் பயன்படுத்தப்படும் நிலத்திலும் நீரிலும் தொண்ணூறு சதவீதத்திற்கும் அதிகமான அளவைச் சேமிக்கலாம்.
• வணிகரீதியான தொழில்துறைப் பயன்பாட்டுக்கான முக்கியத் தடைகளைச் சமாளிக்கும் வகையில், நொதிகளை மேம்படுத்தவும் செலவைக் குறைக்கவும் ஆய்வுக் குழுக்கள் செயற்கை நுண்ணறிவைப் பயன்படுத்துகின்றன.
• பொறியியல் முறையில் மாற்றியமைக்கப்பட்ட ஈஸ்டைப் பயன்படுத்தும் இணை ஆய்வுகள், பயிர் சாகுபடியைவிட ஐம்பது மடங்கு அதிக இடஞ்சார் உற்பத்தித்திறன் கொண்ட மாற்று உயிரியல் வழியை வழங்குகின்றன. இதில் மின்னியக்கத் தொகுப்பு மூலம் உருவாக்கப்பட்ட அசிட்டேட் மூலப்பொருளாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.
• இந்தத் தொழில்நுட்பம் வேளாண் கார்பன் வெளியேற்றத்தைக் குறைக்கவும், விளைநிலங்களுக்காக உணவுப் பயிர்களுக்கும் தொழில்துறைப் பயிர்களுக்கும் இடையிலான போட்டியை நீக்கவும் உதவும். புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றலில் இயங்கும்போது, கார்பன்-எதிர்மறை உற்பத்தி முறையையும் வழங்கக்கூடும்.