– Владимир Георгиевич, было бы интересно познакомиться с Вашим мнением по ряду вопросов, связанных с интенсивно развивающейся биотехнологией, передовой технологией 21 века.
– В развитии биотехнологии можно отметить три волны. Первая из них была связана с лекарствами, когда был выпущен генно-модифицированный инсулин, затем гормон роста, интерферон и другие вещества. В 1978 г. появилась генная инженерия, с помощью которой ген человека перенесли в бактерию, и она начала синтезировать человеческий ген. Было подсчитано, что к 1995 году возникнет дефицит инсулина, который в то время получали из инсулина свиньи, так как он совместим с человеком. И этот дефицит будет связан с тем, что просто-напросто не хватит его источника – свиней. Таким образом, появился человеческий рекомбинантный инсулин. Сейчас его получают с помощью бактерий (США) и дрожжей (Дания). У нас заводы по производству инсулина были построены еще в сороковые годы, но мы не очищали его, поэтому качество такого инсулина не отвечало международным стандартам. В постсоветский период эти заводы были закрыты, а инсулин мы полностью закупали за рубежом. Но сегодня в России налажен выпуск отечественного инсулина хорошего качества, получаемого на современном оборудовании.
Что касается гормона роста, то в настоящее время нет такой проблемы, как карликовость. Однако этот гормон остается незаменимым, например, для регенерации тканей при ожогах. Сейчас микробиологическим путем разработаны 77 субстанций и еще около 300 проходят испытания.
Интерферон хорошо защищает от многих вирусов, но чтобы защитить человека от вируса гриппа, нужно много интерферона, для которого следует переработать сотни килограммов донорской крови. И сейчас Институт генетики наладил производство штамма для промышленного изготовления этого нужного лекарства. –Расскажите, пожалуйста, о второй волне, связанной с появлением трансгенных растений.
– Вторая волна в развитии биотехнологии связана с 1996 годом, когда появились трансгенные растения, ставшие затем массово культивируемыми. Произошла так называемая «зеленая революция». Такие растения проверялись и испытывались, начиная с 1978 г. Первым генетически модифицированным растением стал табак, затем хлопок и т.д. Это были не пищевые растения, так как на них легче было получить разрешение для выращивания. Такой табак содержал токсины безопасные для человека, но влияющие на бактерии, поражающие это растение. Затем появились трансгенные кукуруза, соя, картофель, помидоры.
В нашей стране возникла проблема с кедровым шелкопрядом, из-за которого стали исчезать кедровые леса. Применять здесь «химию» было опасно и поэтому для МЧС было произведено 500 тыс. т биопродукта, который использовали для борьбы с этим вредителем. В Перми есть завод, выпускающий биопрепарат с токсином против шелкопряда – он не действует на человека или пчел. Это биологическое средство защиты в 1,5-2 раза дороже химических средств, но зато безопасно для окружающей среды.
Также известно, что человечество в своей численности стремится к 10 млрд., прокормить нужно всех, и здесь генно-модифицированные растения могут спасти людей от голода при условии, что они будут безопасны для человека. – Как происходит дальнейшее развитие в отношении трансгенных растений?
– С помощью генной инженерии в одно и то же растение можно внедрить несколько генов. Сегодня в США на полях уже культивируется кукуруза, имеющая два встроенных гена, обеспечивающих ее устойчивость к насекомым (колорадскому жуку) и пестицидам (раундапу). Можно вырастить и квадратные помидоры, что удобно для их упаковки и транспортировки. В Канаде вывели тополь, в древесине которого больше целлюлозы и меньше лигнина. Такое растение можно рассматривать как биофабрику для создания лекарств или пищевых продуктов. И все это находится под контролем. Для человека генно-модифицированные растения безопасны, так как их измененный белок не действует на теплокровных животных. Это экологически более чистая технология, ведь сельское хозяйство – одна из самых грязных отраслей, так как в ней применяются пестициды, гербициды, фунгициды и т.д. Все это депонируется в почве и природных водах, что создает опасность их прямого попадания в продукты питания. С этой точки зрения технологии выращивания генно-модифицированных растений являются более экологически чистыми. – Когда возникла третья волна в развитии биотехнологии?
– Третья волна появилась в 2001 г. и положила начало интенсивному развитию микробиологии. Это было связано с тем, что нефть подорожала, и поэтому самое пристальное внимание было обращено на возобновляемые источники сырья. Для этого можно использовать зеленую биомассу с последующим превращением ее в сахара, т.е. проводить процесс осахаривания.
Сейчас самая развитая биотехнология, в том числе и микробиологическая, в США. Американцы стремятся к тому, чтобы к 2025 году 25 % химической промышленности в стране перевести на растительное сырье. Тем самым становится возможным производить химические продукты из смеси сахаров, получаемой при ферментативном гидролизе растительной биомассы. Главным ее источником служат солома и другие отходы сельского хозяйства, которые сейчас просто-напросто сжигают. Но, как известно, превратить их в легкоусвояемые микробами сахара трудно, так как основной углевод растений – целлюлоза связан с лигнином и гемицеллюлозами в сложный комплекс, образующий клеточные стенки растений. Целлюлоза, или клетчатка, представляет собой полисахарид, образованный остатками глюкозы. Гемицеллюлозы также содержат полисахариды. В их состав входят гексозаны и пентозаны. В гексозанах содержатся галактан, маннан и фруктан, в пентозанах – арабан и ксилан, наиболее широко распространенный в растительном мире. Лигнин относится к полимерам сложного состава, не содержит полисахаридов и играет роль связующего целлюлозных волокон в растении. Поэтому нужно разработать достаточно простой способ расщепления этого комплекса на составные части.
Так, сейчас развиваются новые технологии, основанные, в частности, на том, что физическим путем с помощью взрыва разрушают оболочку клеток в присутствии небольшого количества химического реагента. При этом образуются три полимера: целлюлоза, целлобиозы и лигнин. Затем лигнин отделяют, а остальные компоненты разлагают на сахара и получают глюкозу, арабинозу и ксилозу. На этой смеси, представляющей собой питательную среду, и выращивают микроорганизмы. Но для осахаривания необходимы ферменты, например, целлюлазы, которые пока еще дороги. Однако в последнее время решаемой становится и проблема удешевления производства ферментов. На эти цели были выделены гранты датской компании Novo Nordisk и американской Genencore, которые удешевили целлюлазы в 12 раз и эта работа продолжается дальше. Такая программа развития биотехнологии принята сегодня в США и Европе, но у нас она пока не задействована. – Расскажите поподробнее о таком продукте, как биоэтанол и его производстве в разных странах?
– Биоэтанол – вещество, которое сегодня во многих странах используют как добавку в бензин для его более полного сгорания. Биоэтанол получают ферментативным путем, используя растительное сырье. Так, в рамках программы, принятой в США, строят новые заводы по производству биоэтанола из кукурузного крахмала. Это связано с тем, что в стране принят закон, по которому бензин в своем составе должен иметь кислородсодержащие вещества, так как они, улучшая полноту его сгорания, тем самым уменьшают вредные выбросы в атмосферу. До недавних пор с этой целью они использовали метилтретбутиловый эфир. В настоящее время его много производят в мире – около 20 млн. т в год. Но у него есть недостатки – он плохо разлагается в природе и наркотически действует на человека. Поэтому эфир стремятся заменить биоэтанолом. Производство этилового спирта из крахмала – не самый хороший способ и лучше это делать, используя растительные отходы. Например, у нас все хорошо знают, что «водку гонят из опилок» - с помощью гидролиза. В нашей стране гидролизное производство, т.е. осахаривание древесных отходов в присутствии горячей серной кислоты, развито до сих пор. В других странах гидролизные заводы закрыли, так как стало дешевле получать спирт из зерна.
Новая технология производства биоэтанола или топливного бензина включает в себя физическую деструкцию целлюлозы и лигнина с последующим ферментативным осахариванием. Это более дешевое и более экологически чистое производство по сравнению с гидролизным. По такой технологии в Канаде работает цех, производящий около 2 т биоэтанола в день. Следует сказать, что сегодня 1 т такого бензина стоит 100-200 долл. США. Пока этот дорогое производство, но при дальнейшем развитии этого направления себестоимость такого продукта будет снижаться. – Сейчас много внимания уделяется биодеградируемой упаковке, в частности, для пищевых продуктов. И поэтому было бы интересно более детально узнать о таком полимере, как полилактат.
– Американцы наладили изготовление молочной кислоты, широко используемой в пищевой промышленности, по следующей технологии: осахаривается кукурузный крахмал и получается глюкозный сироп, который ферментируется с целью получения этой кислоты. Процесс происходит в стерильных аппаратах, в которых находятся микроорганизмы, вода, минеральные соли и глюкоза. При этом молочная кислота получается уже через сутки. А отходы этой технологии, т.е. микробную биомассу и культуральную жидкость высушивают: твердая часть идет на корм скоту, а жидкая – используется как удобрение, в котором нет никаких экотоксикантов. Эта технология очень малоотходная и экологически чистая.
Молочную кислоту можно перерабатывать в полилактат – а это хорошо деградируемый в природе биопластик. Упаковка пищевых продуктов изготовленная на основе такого полимера полностью разлагается в естественных условиях и поэтому не ухудшает экологию. Поскольку такой пластик сейчас очень востребован в связи с динамично развивающейся упаковочной промышленностью, то темпы роста его выпуска увеличиваются. Благодаря своим биодеградируемым свойствам объемы производства полилактата будут обгонять даже полиэтилен, упаковочные материалы из которого десятки лет не разлагаются в природе.
Из этого же полимера сейчас делают нити Ingeo. Одежда из таких волокон хорошо «дышит», а после срока носки ее можно будет бросить в компост и уже через 3 месяца она превратится в углекислый газ и воду, что совершенно безопасно для окружающей среды. – Как обстоят дела с развитием биотехнологии для получения традиционных продуктов?
– В настоящее время биотехнологические методы используются и для производства таких продуктов, как витамины, каротиноиды, полисахариды, аминокислоты. Так, сейчас витамин В2 получают только с помощью микроорганизмов. Витамин С производят также микробиологическим путем, осталось отработать лишь одну стадию – стадию окисления. Биотехнологическим способом получают и глутамат натрия, используемый в пищевой промышленности в качестве добавки для усиления вкуса. Некоторые аминокислоты, получаемые за счет микроорганизмов, стали настолько дешевы, что их можно использовать как сырье для изготовления полимеров. Например, если декарбоксилировать лизин, то получают гексаметилендиамин, из которого можно изготавливать капрон с низкой себестоимостью. Появляются все новые штаммы бактерий, которые продуцируют пировиноградную кислоту. Объем биотехнологически производимой лимонной кислоты составляет уже 500 тыс. т в год. – Расскажите, пожалуйста, о современном микробиологическом способе получения такого важного витамина, как В2?
– Как известно, витамин В2 необходим для человека, а также в птицеводстве и животноводстве. До 80-х годов во всем мире его синтезировали химическим путем. Витамин изготавливали по технологии, состоявшей из 13 стадий, среди которых были и вредные, так как их проводили при использовании ртутьсодержащих веществ. Затем японцы разработали технологию получения этого витамина с помощью микробиологического синтеза. При этом они убрали из производства 7 стадий и витамин стал дешевым. Сейчас и у нас в г. Пинске делают витамин В2 биотехнологическим способом. Но при этом ферментация протекает достаточно долго – 10 г получают за 7 суток. Поэтому в нашем институте создали штамм, который позволяет получать то же количество, но за 12 часов. Это изобретение мы запатентовали, и такая разработка обратила на себя внимание. Эта технология является лучшей в мире, так как обеспечивает высокий выход витамина В2. У нас есть и другие хорошие разработки, но внедрение их в производство требует определенного финансирования, которого мы, к сожалению не имеем. Поэтому такие технологии нам приходится продавать. В новых технологиях нет «химии» - она заменяется на микробиологический синтез, что эффективнее, экологически чище и дешевле. Биотехнология побеждает всюду, где имеется хороший штамм, обеспечивающий высокий выход конечного продукта. – В каких еще отраслях промышленности используются сегодня микроорганизмы?
– Микроорганизмы стремительно вторгаются в нашу повседневную жизнь. Так, из полимера Soran на основе пропандиола делают высококачественный ковролин, идущий на обивку в современных автомашинах. Надо сказать, что это дорогой материал. А в природе есть микробы, которые могут расти на глицерине и давать пропандиол. Правда, такая технология имеет не очень высокий выход и к тому же не из дешевых. Поэтому ученые в США вывели генно-инженерный штамм, который может расти на глюкозе. Они взяли гены дрожжей, вырабатывающие глицерин, гены бактерий, превращающие глицерин в пропандиол, и все это собрали в одной бактерии, а именно в кишечной палочке. Получаемый таким микробиологическим путем материал гораздо дешевле, чем на основе пропилена, да и к тому же еще и из возобновляемого сырья.
С помощью микроорганизмов сейчас синтезируют и другие вещества. Например, 40-50 основных химикатов можно получать всего из двух органических кислот – молочной и янтарной. – Что представляет собой сегодня «зеленая» и «белая» химия?
– «Зеленой» химией называют любую защиту окружающей среды в химическом производстве. А химию на основе возобновляемых, например, растительных ресурсов, относят к «белой». Она является составной частью биотехнологии.
Во всем мире наблюдается тенденция развития «белой» химии, когда происходит замена химических процессов на биологические, основанные на возобновляемом сырье. И это направление перспективно, так как оно существенно уменьшает нагрузку на окружающую среду. Таким же путем будут развиваться агропромышленный комплекс и фармацевтическая промышленность. – В каких странах в настоящее время интенсивно развивается «белая» химия?
– Она хорошо развивается во многих странах. И здесь определяющим становится стоимость сырья. Поэтому сейчас биозаводы строят в Бразилии и Таиланде, где дешевое сахарное сырье. Так, в Бразилии из сахарного тростника получают сок, на котором и выращивают нужные бактерии, а отходы производства используют как топливо. Активно используют и растение маниоку, которая произрастает в Африке, Латинской Америке, Азии. Она дает крупные корнеплоды, содержащие до 60 % крахмала, а стебли маниоки разрезают на части и из них выращивают новый урожай. Это также один из примеров рационального использования возобновляемого природного сырья. – В каком состоянии находится сейчас микробиологическая промышленность в нашей стране?
– В России дела обстоят хуже, чем в развитых странах. Построить сегодня биотехнологический завод в нашей стране может только крупная химическая компания. Правда, инвесторами могли бы выступить нефтяные, газовые или энергетические фирмы, но пока этого не происходит. Другой путь – создание надлежащих условий для работы соответствующих иностранных компаний. Так, сейчас в Тульской области фирма Cargill (США) строит завод по выпуску глюкозных сиропов из зерна и древесины.
К большому сожалению, мы не выпускаем такие витамины, как В2, А, Е; витамин С остался в производстве лишь в г. Йошкар-Ола. Мы теперь занимаемся только расфасовкой субстанций, закупаемых за рубежом. В России не производят и антибиотики – заводы стоят или закрыты. Но без них обойтись нельзя, поэтому мы покупаем субстанции в Китае и Индии и только фасуем их.
Также мы не выпускаем лизин, а ведь это незаменимая аминокислота. В свое время мы производили ее в большом количестве, и она широко и успешно использовалась в кормах для животных.
Раньше российская микробиологическая промышленность была самой развитой в мире. За последние десятилетия в связи с низким финансированием она потеряла свои лидирующие позиции. Основным препятствием для нас является только сырье – т.е. полисахариды, а оно дорогое. Но зато у нас много зерновых культур, они довольно дешевы и содержат много крахмала. Крахмал можно гидролизовать в глюкозный сироп – а это уже недорогое сырье для микробиологической промышленности. И хотя микробиологические процессы недешевы – они потребляют много электрической энергии и воды, но нам это не страшно. В России эта промышленность может развиваться и при том весьма успешно, так как у нас не только много зерна, но и древесины, соломы; пока в избытке пресная вода, а также дешевая электроэнергия. Таким образом, имеются все предпосылки не только для восстановления микробиологической отрасли, но и ее дальнейшего развития, ведь производство ферментов революционизирует все отрасли промышленности, в том числе и химическую, и для их производства у нас есть необходимый потенциал. – Как Вы оцениваете развитие микробиологической промышленности в 21 веке?
– Сейчас микробиологическая промышленность начинает лидировать в биотехнологии по темпам своего развития. С ее помощью можно будет изменять состав незаменимых аминокислот в растениях, делать его более полноценным. Для этого выводят бактерии, которые направленно продуцируют недостающие аминокислоты. Но при этом необходимо проводить тщательный контроль, чтобы избежать побочных явлений.
Большие перспективы открывают топливные элементы, в которых процесс окисления и получения энергии происходит с помощью бактерий. Такие батарейки имеют КПД, близкий к 100 %. И уже созданы автобусы, в частности, в Скандинавии, которые работают на таких топливных элементах. Но для их изготовления нужен платиновый катализатор, который, естественно, дорог. Россия и здесь может найти выход, так как мы производим почти половину всей платины в мире.
Все это говорит о широких горизонтах в развитии микробиологической отрасли, являющейся частью бурно развивающейся биотехнологии, которая выступает несомненным лидером технологий 21 века.
Заканчивая интересную, содержательную беседу с академиком В.Г. Дебабовым на актуальные темы нашего времени, хотелось бы надеяться на скорейшее восстановление нашей отечественной микробиологической отрасли, которая была сильной и процветающей в 20 веке. |
