Экология

Биосовместимые полимеры

В Институте биофизики СО РАН с использованием водородных бактерий разработана технология получения, сконструировано и введено в строй в Красноярске первое отечественное опытное производство биосовместимых и полностью рассасываемых в биологических средах полимеров. Их применение перспективно для реконструкции тканей в челюстно-лицевой хирургии, ортопедии и травматологии, а также культивирования клеток и контролируемой доставки лекарственных препаратов при патологиях различных органов.

ДОБАВКА К РАЦИОНУ

К настоящему времени негативные последствия антропогенной нагрузки на природу нашей планеты достигли грани, когда некоординируемая хозяйственная деятельность может привести к необратимым изменениям в биосфере в целом*. Как приостановить этот разрушительный процесс? В числе важнейших мер - освоение замкнутых технологий, ориентированных на комплексную переработку добываемых ресурсов, применение экологически чистых энергоносителей и материалов, включающихся в биосферные круговоротные циклы. Разработка таких подходов - задача фундаментальных наук и, в частности, физико-химической биологии. Новые знания в области устройства и функционирования живых систем позволяют конструировать комплексы для синтеза широчайшего спектра ценных соединений. К перспективным продуцентам относят, в частности, бактерии, окисляющие водород, - он служит для них субстратом роста.

biosovmestimye-polimery
Клетки водородных бактерий, реализующие "белковую программу" синтеза макромолекул.

biosovmestimye-polimery

biosovmestimye-polimery

biosovmestimye-polimery

biosovmestimye-polimery
Содержание полигидроксибутирата в водородных бактериях колеблется от низкой, "следовой" концентрации (1) до 20% (2), 40% (3), 90% (4) от веса сухого вещества клетки.

Практический интерес к этим микроорганизмам возник в 70-е годы XX в. одновременно в США и СССР в связи с предложениями использовать их в космосе в качестве регенеративного звена в замкнутых системах жизнеобеспечения человека**. В дальнейшем водородные бактерии стали рассматривать как потенциальный источник кормового и пищевого белка. Для этих нужд в США, ФРГ, СССР, Японии развернули их всесторонние исследования. В конце 1980-х - начале 1990-х годов необычные микроорганизмы вновь вызвали большой интерес ученых как один из наиболее эффективных продуцентов полигидроксиалканоатов (полиэфиров алкановых кислот) - аналога полипропилена, но в отличие от него способных разрушаться в природной среде.

В России активные исследования таких бактерий были начаты по инициативе академика Георгия Заварзина, под руководством которого в Институте микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН (Москва) в 1970 - 1980 гг. выделены, систематизированы и описаны представители этой интереснейшей микробиологической группы. Несколько наиболее продуктивных их штаммов ученый любезно передал в наш Институт.

Обширный экспериментальный материал по физиологии водородных бактерий, полученный у нас, и знание специфики их обмена под воздействием окружающих факторов способствовали созданию биотехнических систем, продуцирующих различные целевые продукты. Например, на полной питательной среде, т.е. содержащей все необходимые элементы для роста клеток с максимальной скоростью, эти микроорганизмы синтезируют белковые макромолекулы. Изменение указанных условий ведет к корректировке программы и несбалансированному росту клеток. Так, при большом количестве углерода и дефиците азота они откладывают первый в запас, синтезируя один из эфиров алкановых кислот - термопластичный полимер полигидроксибутират. По своим базовым свойствам последний аналогичен полипропилену, но как и другие полигидроксиалканоаты способен разрушаться в биологических средах до конечных продуктов: двуокиси углерода и воды в аэробных условиях, т.е. в присутствии кислорода воздуха, и до метана и воды анаэробно.

В Институте биофизики СО РАН в 1980-е годы создали опытное производство белка на водороде. Свойства полученного продукта исследовали в экспериментах на цыплятах-бройлерах, курах-несушках, поросятах, телятах, а также пушных зверях (песцах и норках). Было доказано: биомасса такого белка обладает высокой ценностью и пригодна для включения в рационы сельскохозяйственных животных.

ПЛАСТИКИ, НЕ ВРЕДЯЩИЕ ПРИРОДЕ

Второй процесс, разработанный и масштабно реализованный нашими специалистами с использованием водородных бактерий, - синтез разрушаемых биопластиков (полигидроксиалканоатов). Эти экологичные материалы должны прийти на смену синтетическим полимерам, ныне широко распространенным в самых разных областях промышленности, медицины, коммунального хозяйства и т.д. Объем их производства в мире огромен, он достиг 180 млн. т в год, возрастая ежегодно на 25 млн. т, причем почти половину общего выпуска используют для производства упаковок и тары. Основную часть этой продукции затем складируют на свалках, увеличивая тем самым масштабы общего загрязнения планеты. В развитых странах повторной переработке подвергают не более 16 - 20% синтетических пластиков. Поэтому радикальным решением проблемы "полимерного мусора" является освоение материалов, способных при соответствующих условиях деградировать в безвредные для природы компоненты.

Словом, не случайно в последние 10 - 15 лет все актуальнее становятся работы по полимерам биологического происхождения. Главная цель - поиск и изучение новых материалов этого ряда, а также создание фундаментальной основы для конструирования биосистем, синтезирующих полимеры с заданными свойствами.

Среди активно разрабатываемых и уже применяемых биоразрушающихся веществ, в том числе медицинского назначения, - алифатические полиэфиры, полиамиды, сегментированные полиэфируретаны, полимеры молочной и гликолевой кислот, а с недавних пор - полигидроксиалканоаты. Последние - класс природных макромолекул (т.е. полимеров гидроксипроизводных жирных кислот), синтезируемых бактериями с использованием различных субстратов (Сахаров, органических кислот, спиртов).

Как оказалось, водородные бактерии в определенных условиях способны "производить" полимеры различной химической структуры. Скажем, в нашем Институте разработан синтез полигидроксибутирата (о нем шла речь выше) с высоким выходом (до 80 - 90% от массы вещества клетки) на различных субстратах-сахарах, растительных гидролизатах, ацетате, смесях водорода с двуокисью углерода. С использованием штаммов бактерий, способных расти в присутствии угарного газа, впервые в биотехнологической практике реализован синтез полимеров на продуктах газификации бурых углей. Удалось получить вещества нового состава - сополимеры гидроксимасляной, гидроксивалериановой и гидроксигексановой кислот.

Наши сотрудники изучили вопросы соответствующей инженерной реализации и масштабирования технологии. В рамках проекта Международного научно-технического центра совместно с Научно-исследовательским институтом "Биохиммаш" (оба - Москва) создано первое в России опытное производство биополимеров, способное обеспечить потребности всех исследовательских и испытательных учреждений страны.

Однако получить новый материал - лишь часть решаемой задачи. Следующий этап, пройденный нами, - переработка полимера в специализированные изделия в виде мононитей, гибких пленок, микрочастиц, объемных конструкций различными методами (поливом из растворов, прессованием при комнатной и высоких температурах, экструзией из расплава). Оказалось, перечисленные пластики пригодны для ламинирования бумаги, обволакивания удобрений и семян, депонирования ядохимикатов, конструирования сверхвысокочастотных передающих устройств в радиоэлектронике и т.д.

"БИОПЛАСТОТАН" И ЕГО ВОЗМОЖНОСТИ

Особенно остро востребованы полимерные материалы биомедицинского назначения, в том числе и для конструирования систем, способных воспроизводить биологические функции организма человека. В связи с этим в настоящее время активно развивается разработка на этой основе биоискусственных органов и тканей. Правда, несмотря на значительные успехи биотехнологии, пока нет материалов, полностью совместимых с живым организмом. Сдерживает применение биополимеров их небогатый ассортимент, а также еще не решенная проблема регулирования процессов функционирования и деструкции в живом организме.

Подчеркнем: изучению медико-биологических свойств полигидроксиалканоатов в Красноярске уделяют особое внимание. С использованием высокоочищенных их образцов предложены специализированные изделия для медицины. Полимерные конструкции различной формы и массы уже вводили в мышцу, кость, кровоток и внутренние органы подопытных животных. Впервые исследована реакция тканей различной структуры на имплантацию полигидроксиалканоатов. Показана их высокая биосовместимость, а значит, и возможность имплантирования на длительные сроки без развития негативных реакций со стороны системы крови, клеток, тканей и целого организма. Установлено, что эти материалы эффективны в качестве эндопротезов, швов, остеозамещающих имплантатов и матрикса для депонирования и доставки лекарственных препаратов. После получения соответствующих сертификатов в Роспатенте РФ в 2006 г. зарегистрирована торговая марка "Биопластотан" на полигидроксиалканоаты и изделия медико-биологического назначения из него.

biosovmestimye-polimery
Семейство экспериментальных изделий медицинского назначения, полученных из разрушаемого пластика "Биопластотан".

С использованием этого полимера в виде раствора, эмульсии, порошка изучены структура и свойства дву- и трехмерных матриксов в виде гибких прозрачных пленок, мембран, микрочастиц, губок, объемных плотных и пористых конструкций. Выявлена возможность применения общепринятых методов для стерилизации матриксов без изменения структуры, потери прочности и ухудшения адгезионных свойств поверхности. В культурах фибробластов, клеток печени, кости, кожи показано отсутствие цитотоксичности указанных матриксов и их пригодность для выращивания клеток in vitro.

Методом гель-технологии и экструзией из расплава получены прочные моножильные волокна и доказана их пригодность для выполнения реконструктивных операций на кишечнике и желчевыводящих путях. Нами сконструированы объемные плотные и пористые остеозамещающие имплантаты из гибридного композита полигидроксибутират/гидроксилапатит с различным соотношением компонентов. В первичной культуре остеобластов (предшественников костных клеток), полученной нами из зародышевых соединительнотканных клеток костного мозга, показано: композит биосовместим, способствует образованию костной ткани.

Серия экспериментальных образцов "Биопластотана" передана в медицинские учреждения страны, где будут изучать применимость нового материала для реконструкции дефектов тканей и органов в условиях клиники (в реконструктивных технологиях ортопедии и травматологии, челюстно-лицевой хирургии). Особенно плодотворным стало сотрудничество с отделом новых биоматериалов Научно-исследовательского института трансплантологии и искусственных органов им. академика В. И. Шумакова Минздрава РФ (Москва), руководимым доктором биологических наук Виктором Севастьяновым. Результатом стало издание первой отечественной монографии по биотехнологии этого класса полимеров.

Итак, выполненный Институтом биофизики СО РАН совместно с Сибирским федеральным университетом технико-экономический анализ выявил существующую острую потребность в биополимерах, особенно материалах медицинского назначения - потребность в них непрерывно растет и составляет на сегодня свыше 400 тыс. т/год. Предложенный бизнес-план показал целесообразность их производства по нашей технологии.

* См.: Ю. Израэль. Грозит ли нам климатическая катастрофа? - Наука в России. 2004. N 4.

** См.: О. Газенко, А. Григорьев, В. Егоров. Космическая медицина: вчера, сегодня, завтра. - Наука в России, 2006. N 3, 4


Доктор биологических наук Татьяна ВОЛОВА, заместитель директора Института биофизики СО РАН, заведующая кафедрой биотехнологии Сибирского федерального университета; кандидат медицинских наук Екатерина ШИШАЦКАЯ, старший научный сотрудник того же Института; Олег ШИШАЦКИЙ, инженер-экономист Сибирского федерального университета (Красноярск)

Цветные суперконцентраты красителей.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD