কৃত্রিম স্টার্চ উৎপাদন দশ গুণ বাড়ালেন চীনা বিজ্ঞানীরা, কারখানায় খাদ্য উৎপাদনের পথে অগ্রগতি

কার্বন ডাই-অক্সাইড থেকে ক্যালরি তৈরি

শিল্পকারখানার বর্জ্য গ্যাসকে ভোজ্য স্টার্চে রূপান্তরের একটি প্রক্রিয়ার গতি নাটকীয়ভাবে বাড়িয়েছেন চীনা গবেষকেরা। ২০২১ সালে তাঁদের যুগান্তকারী পদ্ধতির তুলনায় উৎপাদনশীলতা বেড়েছে দশ গুণ। চাইনিজ অ্যাকাডেমি অব সায়েন্সেস (সিএএস) জানিয়েছে, এই অগ্রগতি কৃষিজমি, ফসল বা প্রচলিত কৃষি ছাড়াই শিল্পপর্যায়ে স্টার্চ উৎপাদনের বিশ্বকে আরও কাছে নিয়ে এসেছে। তিয়ানজিন ইনস্টিটিউট অব ইন্ডাস্ট্রিয়াল বায়োটেকনোলজির (টিআইবি) বিজ্ঞানীরা কার্বন ডাই-অক্সাইডকে জটিল শর্করায় রূপান্তরের জন্য তাঁদের কোষবিহীন এনজাইমভিত্তিক ব্যবস্থা আরও উন্নত করেছেন। এর গতি এখন প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণকেও অনেক ছাড়িয়ে গেছে। এই উদ্ভাবন বিশ্বব্যাপী খাদ্যনিরাপত্তায় সম্ভাব্য এক যুগান্তকারী পরিবর্তনের ইঙ্গিত দিচ্ছে। প্রচলিত কৃষির পরিবেশগত ক্ষতি এড়িয়ে জরুরি খাদ্য উপাদান ও শিল্পের কাঁচামাল উৎপাদনের পথ খুলতে পারে এটি।

অধ্যাপক চাই তাওয়ের নেতৃত্বে গবেষক দলটি গত পাঁচ বছর ধরে রাসায়নিক ও জৈব-রাসায়নিকের সমন্বিত এই পথটি উন্নত করতে কাজ করেছে। পদ্ধতিটি প্রথম প্রকাশিত হয়েছিল Science সাময়িকীতে। ২০২১ সালের তাঁদের প্রথম সাফল্যে দেখা গিয়েছিল, ভুট্টাগাছের তুলনায় ৮.৫ গুণ দ্রুত হারে CO2 থেকে স্টার্চ তৈরি করা সম্ভব। সর্বশেষ উন্নয়নে উৎপাদন আরও দশ গুণ বেড়েছে। এর ফলে এমন একটি ব্যবস্থা তৈরি হয়েছে, যার দক্ষতা আগে কেবল তাত্ত্বিক ধারণাতেই সীমাবদ্ধ ছিল। কৃত্রিম স্টার্চ তৈরির এই অ্যানাবলিক পথ (এএসএপি) এখন সহস্রাব্দ ধরে মানবসভ্যতায় আধিপত্য বিস্তার করা কৃষিব্যবস্থাকে চ্যালেঞ্জ জানানোর দ্বারপ্রান্তে।

কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণের রসায়ন

এই প্রক্রিয়ায় প্রকৃতিকে অনুকরণ করা হলেও উদ্ভিদের বেড়ে ওঠার সঙ্গে যুক্ত জৈবিক অদক্ষতা দূর করা হয়েছে। ভুট্টা পাকতে কয়েক মাস অপেক্ষার বদলে পরীক্ষাগারের এই পদ্ধতিতে রূপান্তর সম্পন্ন হয় কয়েক ঘণ্টায়। গ্যাসীয় কার্বন ডাই-অক্সাইডকে রাসায়নিক ও এনজাইমের সুনিয়ন্ত্রিত ধারাবাহিক বিক্রিয়ায় পলিমার-জাতীয় স্টার্চে রূপান্তরিত করতে এতে রয়েছে ১১টি মূল ধাপ।

প্রথমে নিয়ন্ত্রিত পরিবেশে একটি অজৈব অনুঘটক কার্বন ডাই-অক্সাইডকে মিথানলে রূপান্তরিত করে। এরপর এই সরল অণুটি ধারাবাহিক এনজাইম বিক্রিয়ার ভিত্তি হিসেবে কাজ করে। গবেষক দলটি ৩১টি ভিন্ন প্রজাতি থেকে এনজাইম সংগ্রহ ও প্রকৌশলগতভাবে উন্নত করেছে। কাজের জন্য সবচেয়ে কার্যকর ১০টি অনুঘটক শনাক্ত করতে তারা ৬২টি এনজাইম যাচাই ও পরিবর্তন করেছে। এই জৈবিক যন্ত্রগুলো মিথানলকে তিন ও ছয় কার্বনবিশিষ্ট শর্করায় রূপান্তরিত করে। পরে সেগুলো পলিমার হয়ে অ্যামাইলোজ বা অ্যামাইলোপেকটিন তৈরি করে, যা প্রাকৃতিক স্টার্চের দুটি প্রধান উপাদান।

তৈরি হওয়া কৃত্রিম স্টার্চ রাসায়নিক ও ভৌত—দুই দিক থেকেই কৃষিজাত স্টার্চের অভিন্ন। পরীক্ষাগার বিশ্লেষণে এর গঠন ও বৈশিষ্ট্য একই বলে নিশ্চিত হওয়া গেছে। ফলে খাদ্যপণ্য, ওষুধ, কাগজ উৎপাদন, বস্ত্র, আঠা ও জৈব-বিয়োজ্য প্লাস্টিকে ভুট্টার স্টার্চের বদলে সরাসরি এই কৃত্রিম পণ্য ব্যবহার করা যেতে পারে। এ পদ্ধতিতে স্টার্চের গঠনও নিজেদের প্রয়োজন অনুযায়ী নির্ধারণ করা যায়। ফলে শিল্পের চাহিদা অনুযায়ী নির্দিষ্ট হজমের গতি বা কার্যকরী বৈশিষ্ট্যসম্পন্ন স্টার্চ তৈরি করা সম্ভব হতে পারে।

পরীক্ষাগার থেকে কারখানার উৎপাদনমঞ্চে

পরীক্ষাগারে সাফল্যকে বাণিজ্যিকভাবে কার্যকর করে তোলার চ্যালেঞ্জ বৈজ্ঞানিক উদ্ভাবনের চেয়েও বড়। চায়না সায়েন্স ডেইলিকে দেওয়া এক সাক্ষাৎকারে অধ্যাপক চাই তাও উৎপাদন বাড়ানোর জটিলতার কথা স্বীকার করেন। তিনি বলেন, ধারণার কার্যকারিতা প্রমাণের পর্যায় থেকে শিল্পে প্রয়োগে যেতে বড় ধরনের অর্থনৈতিক বাধা অতিক্রম করতে হবে।

শূন্য থেকে একে পৌঁছানো কঠিন, খরচ কমানো কঠিন, আর শেষ পর্যন্ত শিল্পে প্রয়োগ নিশ্চিত করা আরও কঠিন। তবু আমাদের এই চ্যালেঞ্জ মোকাবিলা করতে হবে।

প্রধান বাধা এনজাইমের খরচ। ২০২১ সালের মূল ব্যবস্থায় একটি গুরুত্বপূর্ণ এনজাইমই মোট উপকরণ ব্যয়ের অর্ধেক ছিল। এই সীমাবদ্ধতা কাটাতে দলটি বিশেষভাবে কাজ করছে। কৃত্রিম বুদ্ধিমত্তা ব্যবহার করে আরও স্থিতিশীল ও কার্যকর এনজাইমের ধরন খোঁজার পাশাপাশি জৈব অনুঘটকগুলো পুনর্ব্যবহারের পদ্ধতিও তৈরি করছে তারা। এসব উন্নয়নে বিক্রিয়ার দক্ষতা বজায় রেখেই প্রয়োজনীয় এনজাইমের পরিমাণ অনেক কমেছে।

শক্তির খরচ কমাতেও গবেষকেরা বিক্রিয়ার পরিবেশ উন্নত করেছেন। প্রক্রিয়াটি নিয়ন্ত্রিত পরীক্ষাগার-পরিবেশে চলে, তাই আবহাওয়া, ঋতু বা জলবায়ুর পরিবর্তনে প্রভাবিত না হয়ে উৎপাদন অনুমানযোগ্য থাকে। খরা, বন্যা ও কীটপতঙ্গের কারণে যেখানে কৃষির বার্ষিক উৎপাদন মারাত্মকভাবে ক্ষতিগ্রস্ত হতে পারে, সেখানে এই ধারাবাহিকতা স্পষ্ট পার্থক্য গড়ে দেয়।

কৃষি অর্থনীতির নতুন সংজ্ঞা

সম্পদ সাশ্রয়ের সম্ভাবনা শুধু দক্ষতার হিসাবেই সীমাবদ্ধ নয়। টিআইবি দলের হিসাব অনুযায়ী, এক ঘনমিটার জায়গা দখল করা একটি বায়োরিঅ্যাক্টর তাত্ত্বিকভাবে প্রায় এক-তৃতীয়াংশ হেক্টর ভুট্টাখেতে এক বছরে যে পরিমাণ স্টার্চ উৎপন্ন হয়, তার সমপরিমাণ তৈরি করতে পারে। উৎপাদন খরচ প্রচলিত কৃষির সঙ্গে প্রতিযোগিতামূলক পর্যায়ে নামানো গেলে, স্টার্চ উৎপাদনে বর্তমানে ব্যবহৃত চাষের জমি ও মিঠাপানির ৯০ শতাংশেরও বেশি ব্যবহারের প্রয়োজন নাও থাকতে পারে।

জমির ব্যবহারে এমন পরিবর্তন বৈশ্বিক কৃষিতে সুদূরপ্রসারী প্রভাব ফেলতে পারে। বর্তমানে শিল্পে স্টার্চ উৎপাদন প্রায় পুরোপুরি ভুট্টার ওপর নির্ভরশীল। এই ফসলের জন্য প্রচুর চাষযোগ্য জমি, নিবিড় সেচ এবং বিপুল পরিমাণ সার ও কীটনাশক লাগে। বৈশ্বিক জনসংখ্যা বাড়ার সঙ্গে সঙ্গে সীমিত কৃষিজমিতে খাদ্যশস্য ও শিল্পের কাঁচামাল উৎপাদনের প্রতিযোগিতা তীব্র হয়েছে; জলবায়ু পরিবর্তনও কৃষি উৎপাদনকে হুমকির মুখে ফেলছে।

টিআইবির প্রতিষ্ঠাতা পরিচালক মা ইয়ানহে ২০২১ সালের এক বক্তব্যে এই গবেষণার লক্ষ্য তুলে ধরেছিলেন; তাঁর বক্তব্য আজও প্রাসঙ্গিক। তিনি বলেছিলেন, শিল্পায়নই ছিল প্রকল্পটির প্রাথমিক আদর্শ এবং চূড়ান্ত লক্ষ্য। উন্নয়নের পথে আসা বাধা সত্ত্বেও দলটি কাজটি ছেড়ে দেবে না বলেও তিনি জোর দিয়েছিলেন।

কার্বন চক্রের ওপর প্রভাব বিবেচনায় নিলে পরিবেশগত সুফল আরও বাড়ে। কার্বন ডাই-অক্সাইড বায়ুমণ্ডলে ছেড়ে দেওয়ার বদলে এ প্রক্রিয়ায় কাঁচামাল হিসেবে ব্যবহার করা হয়। নবায়নযোগ্য বিদ্যুতে চালানো হলে এই ব্যবস্থায় কার্বন-নেতিবাচক স্টার্চ উৎপাদন সম্ভব হতে পারে। সে ক্ষেত্রে মূল্যবান পণ্য তৈরির পাশাপাশি সক্রিয়ভাবে বায়ুমণ্ডল থেকে গ্রিনহাউস গ্যাসও সরানো যাবে। একই দলের ২০২৩ সালের একটি গবেষণায়, যা Science Bulletin-এ প্রকাশিত হয়, দেখা গেছে তাদের ব্যবস্থায় প্রাকৃতিক উদ্ভিদব্যবস্থার তুলনায় শক্তির দক্ষতা ৩.৫ গুণ বেশি এবং সংশ্লেষণের গতি ২৩ গুণ দ্রুত হতে পারে।

বিকল্প জৈবিক পথ

এনজাইমভিত্তিক পদ্ধতি সংবাদে বেশি গুরুত্ব পেলেও, কার্বন ডাই-অক্সাইড থেকে স্টার্চ তৈরির অন্য কার্যকর পথও সমান্তরালে নিয়ে গবেষণা চলছে। প্রকৌশলগতভাবে পরিবর্তিত ইস্ট ব্যবহার করে স্টার্চ উৎপাদনের একটি বিকল্প পদ্ধতি তৈরি করেছেন বিজ্ঞানীরা। এতে বিশেষভাবে তেল উৎপাদনকারী Yarrowia lipolytica প্রজাতির ইস্ট ব্যবহার করা হয়। গবেষকেরা উৎপাদিত পণ্যটির নাম দিয়েছেন "স্টার্চসমৃদ্ধ ক্ষুদ্র শস্যকণা"।

এই জৈবিক পদ্ধতিতে ইস্টের বিপাকীয় প্রক্রিয়া পুনর্বিন্যাস করে কোষের শুষ্ক ওজনের ৪৭ শতাংশ পর্যন্ত স্টার্চ জমা করা যায়। স্টার্চ জৈবসংশ্লেষণ ও গ্লুকোনিওজেনেসিসের পথগুলো পুনর্বিন্যাসের পাশাপাশি কোষের আকার বাড়াতে তার আকৃতিও পরিবর্তন করেছেন গবেষকেরা। এতে একক জমি ও সময়ের হিসাবে উৎপাদনশীলতা প্রচলিত ফসল চাষের তুলনায় প্রায় ৫০ গুণ হয়েছে। এ পদ্ধতিতে অ্যাসিটেট ব্যবহার করা হয়। নবায়নযোগ্য বিদ্যুৎ দিয়ে কার্বন ডাই-অক্সাইড থেকে তড়িৎ-সংশ্লেষণের মাধ্যমে অ্যাসিটেট তৈরি করা যায়, যা কার্বন-নেতিবাচক খাদ্য উৎপাদনের আরেকটি পথ খুলে দেয়।

অ্যাসিটেটের সঙ্গে মিশিয়ে দিলে প্রকৌশলগতভাবে পরিবর্তিত ইস্ট খড়ের মতো কৃষিবর্জ্যও খেতে পারে। ফলে সেলুলোজকে ভোজ্য স্টার্চে রূপান্তরের পথ তৈরি হয়। এতে কৃষির আরেকটি চ্যালেঞ্জ—ফসলের অবশিষ্টাংশের অপর্যাপ্ত ব্যবহার—মোকাবিলা করা সম্ভব। এনজাইম ও অণুজীবভিত্তিক পদ্ধতির কৌশল আলাদা হলেও, উভয়ের লক্ষ্যই খাদ্য উৎপাদনকে প্রচলিত কৃষি থেকে বিচ্ছিন্ন করা।

জাতীয় প্রেক্ষাপট ও বৈশ্বিক প্রভাব

কৃত্রিম স্টার্চ প্রযুক্তিতে চীনের বিনিয়োগ দেশটির তীব্র জাতীয় চাপের প্রতিফলন। মাথাপিছু কৃষিজমি ও পানির সীমিত সম্পদ ব্যবহার করে দেশটিকে বিশ্বের সবচেয়ে বড় জনসংখ্যার খাদ্যের জোগান দিতে হয়। সার উৎপাদন, যন্ত্রপাতির জ্বালানি, ধান চাষে মিথেন নির্গমন এবং বিপুল শক্তিনির্ভর সেচব্যবস্থার কারণে কৃষি কর্মকাণ্ড জাতীয় কার্বন নিঃসরণে উল্লেখযোগ্য অবদান রাখে।

২০০৫ থেকে ২০২১ সালের সাম্প্রতিক তথ্য অনুযায়ী, উৎপাদন ধরে রেখে কার্বনের তীব্রতা কমাতে চীন কৃষি ব্যবস্থাপনায় দুই ধরনের পরিসরভিত্তিক কৌশল নিয়েছে: বৃহত্তর কৃষিজমির কার্যক্রমের সঙ্গে পেশাদার সেবার যৌথ ব্যবহার। তবে জলবায়ু পরিবর্তন তীব্র হওয়া এবং আবাদযোগ্য জমির অবক্ষয়ের মুখে এই উন্নতিগুলো যথেষ্ট নাও হতে পারে। কৃত্রিম স্টার্চ একটি পরিপূরক কৌশল হতে পারে। এর ফলে কার্বোহাইড্রেটের শিল্প চাহিদা মেটানোর পাশাপাশি বাস্তুতন্ত্র পুনরুদ্ধার বা খাদ্যশস্য চাষের জন্য লাখ লাখ হেক্টর জমি ছেড়ে দেওয়া সম্ভব হতে পারে।

এই প্রযুক্তি চীনের বৃহত্তর জ্বালানি রূপান্তরের সঙ্গেও সামঞ্জস্যপূর্ণ। দেশটি নবায়নযোগ্য বিদ্যুৎ উৎপাদন বাড়ানো এবং বিদ্যুৎ খাতের নিঃসরণ কমানোর সঙ্গে সঙ্গে পরিচ্ছন্ন শক্তির প্রাপ্যতা কার্বন ধারণ ও ব্যবহার প্রযুক্তিকে ক্রমেই কার্যকর করে তুলছে। CO2 থেকে স্টার্চ তৈরির প্রক্রিয়ায় শক্তি লাগে, বিশেষ করে শুরুতে মিথানলে রূপান্তর এবং পানির তড়িৎ বিশ্লেষণের মাধ্যমে হাইড্রোজেন উৎপাদনে। সৌর বা বায়ুশক্তিতে ব্যবস্থা চালালে রাসায়নিক বন্ধনে কার্যত বৈদ্যুতিক শক্তি সঞ্চিত হয়, যা খাদ্যভিত্তিক শক্তি সঞ্চয়ের একটি রূপ তৈরি করে।

মূল তথ্য

• তিয়ানজিন ইনস্টিটিউট অব ইন্ডাস্ট্রিয়াল বায়োটেকনোলজির চীনা বিজ্ঞানীরা ২০২১ সালের যুগান্তকারী পদ্ধতির তুলনায় কার্বন ডাই-অক্সাইড থেকে স্টার্চ তৈরির উৎপাদনশীলতা দশ গুণ বাড়িয়েছেন।
• কৃত্রিম এই প্রক্রিয়ায় ১১টি এনজাইম ধাপ ব্যবহার করে CO2 থেকে কৃষিজাত পণ্যের অভিন্ন স্টার্চ তৈরি হয়। এর গতি এখন প্রাকৃতিকভাবে ভুট্টায় স্টার্চ তৈরির তুলনায় প্রায় ৮৫ গুণ দ্রুত।
• এক ঘনমিটারের বায়োরিঅ্যাক্টর তাত্ত্বিকভাবে এক-তৃতীয়াংশ হেক্টর ভুট্টাখেতে এক বছরে যে পরিমাণ স্টার্চ উৎপন্ন হয়, তা তৈরি করতে পারে। প্রচলিত স্টার্চ উৎপাদনে ব্যবহৃত জমি ও পানির ৯০ শতাংশেরও বেশি সাশ্রয় হতে পারে।
• বাণিজ্যিকভাবে শিল্পে প্রয়োগের প্রধান বাধা মোকাবিলায় গবেষক দলগুলো এনজাইম উন্নত করতে ও খরচ কমাতে কৃত্রিম বুদ্ধিমত্তা ব্যবহার করছে।
• প্রকৌশলগতভাবে পরিবর্তিত ইস্ট নিয়ে সমান্তরাল গবেষণায় ফসল চাষের তুলনায় একক জমিতে উৎপাদনশীলতা ৫০ গুণ বেশি হওয়ার সম্ভাবনা দেখা গেছে। এতে কাঁচামাল হিসেবে তড়িৎ-সংশ্লেষিত অ্যাসিটেট ব্যবহার করা হয়।
• নবায়নযোগ্য শক্তিতে চালালে এই প্রযুক্তি কৃষি থেকে কার্বন নিঃসরণ কমাতে, খাদ্য ও শিল্পফসলের মধ্যে জমির প্রতিযোগিতা দূর করতে এবং কার্বন-নেতিবাচক উৎপাদনের পথ তৈরি করতে পারে।