НЕСКОЛЬКО ЧАСОВ ИЗ ЖИЗНИ БАКТЕРИЙ
ИЛИ
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ
РОССИЙСКОГО БИОПЛАСТИКА
Лаборатория хемоавтотрофного биосинтеза красноярского Института биофизики СО РАН не первый год работает с микроорганизмами. Итог многолетних исследований — создание технологии синтеза биопластика, получившего международную известность, выход на мировую арену, запуск пилотного производства, покрывающего потребности исследовательских учреждений России в этом материале, и много других направлений, в которых сотрудники института по праву могут считать себя безусловными лидерами. Но основное все-таки — биопластик.
Ю. Александрова, «НВС»
Красноярск
Что такое «хемо»?
 |
| Доктор биологических наук Т. Волова.
|
Нескольких часов, проведенных в ИБФ и технологическом корпусе хватило, чтобы разобраться в «высоких материях» и понять, каким образом неутомимые бактерии создают для себя «полиэтиленоподобный» материал. Однако обо всем по порядку. Первое, что требовало разъяснений, — название лаборатории (хемоавтотрофный биосинтез — сразу не выговоришь!). Заведующая лабораторией д.б.н. Татьяна Волова рассказала: существует два типа энергии — световая и запасенная в химсвязях различных соединений. А «хемосинтетики» — это организмы, которые добывают энергию, окисляя химические соединения; «хемолитотрофный тип метаболизма» — это способность организмов получать энергию при окислении неорганических соединений (в данном случае — водорода).
Слово «авто» указывает на отношение организма к типу используемого источника углерода (любое живое существо для того, чтобы жить, расти, размножаться, мыслить, двигаться, должно получать энергию и строительный материал — углерод). Для микроорганизмов, изучаемых в лаборатории Т. Воловой, источником энергии является реакция окисления водорода, а «автотрофия» подразумевает способ биосинтеза органической материи из неорганики (окислов углерода). Однако есть варианты процессов с использованием более ординарных и легко «приручаемых» субстратов (органических кислот, сахаров).
«Таким образом, — говорит Татьяна Григорьевна, — объект исследований нашей лаборатории — микроорганизмы, которые реализуют свой потенциал, живут и размножаются в результате потребления углекислого газа и реакции окисления водорода. Бактерии утилизируют диоксид углерода, кислоту, которую выдыхает человек, продукты выделения и поставляют ему кислород, пищу, воду. История возникновения направления и работы с этими организмами связана с космической тематикой, созданием и изучением систем жизнеобеспечения».
Впрочем, это было достаточно давно. Потом ученые работали с водородными бактериями в качестве источника корма для животноводства, однако в печально известные 90-е тема постепенно сошла на нет. Когда для бактерий стали искать другие сферы приложения, выяснилось, что они могут создавать и накапливать пластический материал, который очень похож на синтетические пластики (полипропилен, полиэтилен). Собственно, этот биопластик вполне может стать заменой полиолефинам, поскольку имеет сходные физико-химические свойства и обладает рядом других важных характеристик.
Прирученные бактерии
На столе разложены пакетики с полупрозрачным гранулированным веществом — оказывается, это тот самый биополимер полигидроксибутират, который синтезируют микроорганизмы. За несколько недель или месяцев он разлагается до конечных продуктов (углекислоты и воды) под воздействием микроорганизмов и ферментов тканей и крови животных, в почве или водной среде. Это свойство может сыграть важную роль в свете сегодняшней неблагоприятной экологической ситуации — в море плавают пластиковые бутылки, в лесу — горы пластика. «Сейчас проблемами биодеградации занимаются многие лаборатории за рубежом, — объясняет мой „экскурсовод“ по технологическому корпусу д.т.н. Н. Войнов, который занимается биоинженерными аспектами технологии, подбором аппаратуры, конструированием. — Закапывают этот материал в землю, вшивают животным и смотрят, каким образом он разрушается».
С внедрением биополимеров открываются радужные перспективы — через какое-то время из окружающей среды полностью исчезнет подобный мусор, обитатели морских глубин не будут гибнуть, проглотив полиэтиленовый пакет. Пока есть только одно «но» — высокая стоимость продукта — от 7 до 10 долларов за килограмм. Дороговато получается — почти в десять раз больше, чем уже привычные для нас синтетические полимеры — полиэтилен, полипропилен. Однако Николай Александрович полон оптимизма: ведь и с полиэтиленом в прошлом веке была такая же история, но постепенно наладили его массовое производство и сделали широко доступным.
И сегодня ведущие промышленные компании и концерны разных стран совершенствуют технологию, чтобы сделать этот материал более доступным и дешевым, довести до массового потребителя. «Все равно это наше будущее, рано или поздно синтетические пластики выйдут из употребления, — уверенно говорит Н. Войнов и, указывая на лабораторное оборудование, улыбается. — А у нас — опытное производство. Да и за 20 лет работы Татьяна Григорьевна бактерии уже „приручила“ и научила их синтезировать то, что надо. Здесь своя специфика».
Специфика действительно имеется. Оказывается, требуемый продукт можно получить, целенаправленно меняя компоненты питательной среды — как «кормить» микроорганизмы, какую среду создавать, то они и будут синтезировать. Например, если питательная среда сбалансирована, в ней присутствуют все необходимые элементы, тогда образуется белок, а если не давать им азота, начинается синтез биополимера в гранулах. Конечно, с белком клетки более жизнеспособны, а как только дело доходит до синтеза биополимера, физиологическая активность клеток снижается, и включаются ферментные системы синтеза полимера (его в клетках может накопиться до 90 %). Поэтому сначала нужно нарастить активную биомассу, чтобы было много клеток, а потом создать условия, при которых первичные продукты синтеза конвертируют в гидроксибутират (в дальнейшем они полимеризуются).
Под сенью биореактора
 |
| Доктор технических наук Н. Войнов возле инокулятора.
|
Но процесс это непростой. Изначально бактерии хранятся в музее на агаризованной среде; потом их помещают в специальную питательную среду и начинают выращивать. Сначала бактерий мало, потом концентрация нарастает, и культуру уже можно перенести в колбу большего объема, далее — в ферментационный аппарат. Эта стадия называется «инокуляция».
Николай Александрович показывает некое устройство — «качалку» — на него в специальные гнезда ставят колбочки, и «качалки» (а всего их от десяти до двадцати штук) начинают совершать колебательные движения, поскольку для окисления питательной среды в микроорганизмах нужен кислород, а также определенная температура. На протяжении двенадцати часов масса клеток перемешивается, туда попадает кислород, происходит окисление компонентов среды и увеличение биомассы в объеме. В качестве питательной среды вместо водорода (взрывоопасный субстрат) можно использовать ацетат, сахара.
Основная задача на этом этапе — получить как можно больше активных клеток с минимальным содержанием полимера. «Технология наукоемкая, — говорит Н. Войнов. — После получения нужной концентрации клеток (инокулят) его по стерильной линии перекачивают в ферментационный аппарат».
Продвигаемся дальше, и я вижу следующий аппарат — основной биореактор, в который и перекачивается инокулят. Если на предыдущем этапе накапливалась активная биомасса, то здесь бактерии «заставляют» синтезировать полимер. Все так же необходимо соблюдать стерильность. Полученную культуру (клетки с полимером) концентрируют, а затем из пасты бактерий с помощью химических реагентов извлекают полимер.
В лаборатории хемоавтотрофного синтеза можно получать полимер с определенными физическими свойствами, задавая желаемое при культивировании, например, меняя физико-механические характеристики (плотность, вязкость, молекулярный вес и т.д). «Мы уже научились считать, — констатирует Николай Александрович, — получили исходные данные для дальнейшего полупромышленного производства и сделали первые шаги к производству». На вопрос о производительности отвечает: «За цикл получается до 1 кг полимера».
Для чего нужен биополимер?
Сегодня с учетом стоимости продукта основное направление применения биополимеров — биомедицина. «Это абсолютно биосовместимый материал, — говорит Т. Волова, — который соответствует задачам самых современных биомедицинских направлений — клеточной и тканевой инженерии, связанной с реконструктивной хирургией, конструированием биоискусственных органов и созданием лекарственных препаратов нового поколения долговременного действия с адресной доставкой. Мы контактируем со специалистами в этой области, многому научились сами, например, получать 2-х и 3-мерные матриксы — исходные штаммы культур ослабленных микроорганизмов, используемые для изготовления вакцин. У нас есть уникальная научно-практическая база, включая первое в стране опытное производство и выходы полимерных изделий для исследований в клиники. Мы создали базу для клеточных технологий, у нас есть клеточные матриксы, мы имеем этот материал сотнями граммов, килограммами, равно как и продукцию из него, и сейчас работаем с клиническими учреждениями на уровне ограниченных клинических испытаний, для реконструктивной стоматологии, реконструкций костных дефектов, как в Красноярске, так и в Москве — сотрудничаем с НИИ трансплантологии и искусственных органов Минздрава РФ».
Сотрудничает лаборатория хемоавтотрофного биосинтеза и с зарубежными партнерами — есть грант американского фонда исследований и развития (CRDF) на создание новой формы пестицидов, «упакованных» в полимерную мембрану; идет совместная работа по созданию нового типа полимеров с учеными из Мюнстерского университета, поддерживаются контакты со Швейцарией, Турцией. Красноярской продукцией интересуются и некоторые зарубежные фирмы.
Для осуществления всех этих широкомасштабных работ Татьяна Григорьевна Волова придерживается междисциплинарного подхода. «Нельзя быть специалистом во всех областях, — говорит она. — С другой стороны, поскольку мы занимаемся биосинтезом, биотехнологией, биоматериаловедением, биомедицинскими исследованиями, невозможно иметь сотрудников из разных отраслей в одной лаборатории — потребовался бы огромный штат. Мы привлекаем специалистов высшего класса — тех, которые необходимы для решения конкретных задач — из Института физики, Института химии и химической технологии, СКТБ „Наука“, Института биоорганической химии и фундаментальной медицины СО РАН и многих других. Именно это многостороннее сотрудничество помогает в решении сложных задач».
Фото автора
стр. 7
|
