Биология

Биотехнологии

Согласно экспертным прогнозам, к 2010 г. вклад биотехнологий в общий объем мирового химического производства возрастет десятикратно. И каждая страна, стремясь сохранить или занять в этой индустрии подобающую нишу, опирается на свои конкурентные преимущества.

Какие приоритеты в развитии промышленной биотехнологии может выбрать Россия?

Об этом нашему корреспонденту Евгении Сидоровой рассказал заместитель директора ГНЦ РФ Институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов (ГосНИИгенетика) доктор биологических наук Александр Яненко.

Вклад промышленной биотехнологии в производство химикатов.

- Александр Степанович, Вы принимали участие в конференции "Высокие технологии - стратегия XXI века". По мнению слушателей, доклады о приоритетных проектах в области биотехнологии были одними из самых интересных и действительно соответствовали поднятой теме. В их числе и Ваше выступление.

-Дело в том, что научная деятельность ГосНИИгенетики многие годы тесно связана с микробиологической промышленностью. И к появлению так называемой "белой" биотехнологии, под которой понимают эффективное и экологически безопасное получение химических соединений, энергии и материалов с помощью микроорганизмов и их ферментов, мы были готовы идеологически и методически. Еще 20 лет назад институт приступил к работе, ставшей для нас со временем основной, - созданию микроорганизмов, продуцирующих клеточные метаболиты (аминокислоты, антибиотики, каратиноиды и др.). Мы разрабатываем биотехнологии получения таких веществ посредством ферментации Сахаров, извлекаемых из возобновляемого сырья. Сегодня идея получения различных химических соединений из возобновляемых источников становится главенствующей в мире.

Основная традиция нашего института с самого его зарождения - сочетание серьезных фундаментальных исследований и инновационной деятельности. Такой подход был заложен первым нашим директором Сосом Исааковичем Алиханяном, 100-летний юбилей которого мы отмечаем в этом году. Исследовательские группы, занимавшиеся селекцией и созданием новых штаммов микроорганизмов, достигали уникальных результатов. Например, впервые в мировой практике методами генной инженерии были получены микроорганизмы, продуцирующие аминокислоту треонин или витамин рибофлавин. Главным условием успешной работы у нас всегда считалось умение использовать наследственный потенциал бактерий и применять новейшие методы генетики. Ибо вне фундаментальных подходов к созданию штаммов не получится ничего, кроме повторения старых работ. Но и без привлечения современных методов конструирования невозможно поддерживать высоких уровень исследований.

- Выступая под общими лозунгами "белой" биотехнологии и "зеленой" химии, страны, обладающие высоким научным потенциалом, между тем выбирают разные стратегии развития. Чем именно определяется их выбор?

- Разрабатывая программы развития в области биотехнологии, страны опираются на национальные конкурентные преимущества и стремятся вместе с тем решить свои стратегические задачи. Сравним европейские и американские приоритеты в сфере промышленной биотехнологии.

Для США важно обеспечить энергетическую безопасность: опираясь на огромный сельскохозяйственный сектор, они стараются разработать новые технологии получения энергоресурсов, к которым прежде всего относится производство биоэтанола. Тем самым уменьшается зависимость страны от импорта нефти. Американская программа развития биотехнологии, кроме того, включает получение из возобновляемого сырья крупнотоннажных продуктов органической химии - полилактидов, 1,3-пропан-диола. Обладая большими финансовыми ресурсами, США планируют расширять названные производства.

В Европе программа по "белой" биотехнологии направлена на улучшение экологии и сохранение традиционного лидерства в химической индустрии. Сегодня Старому Свету создают сильную конкуренцию Китай, Малайзия, Корея. Поэтому европейские страны должны осваивать прогрессивные технологии, производить совершенно новые продукты.

- Существуют ли конкурентные преимущества у России и каковы, по Вашему мнению, ее приоритеты в развитии промышленной биотехнологии?

- Крайне важно сегодня правильно определить наши национальные конкурентные преимущества, и, исходя из них, выбрать приоритеты.

У России большой сельскохозяйственный сектор, способный производить значительное количество дешевого зерна. Его комплексная переработка может рассматриваться в качестве одного из основных направлений в развитии промышленной биотехнологии. Реализация такого проекта позволила бы получить новые продукты из возобновляемого сырья, стабилизировать рынок зерна в стране и создать сырьевую базу для промышленной биотехнологии.

Нельзя забывать, что Россия обладает четвертью мировых запасов леса. Используя новые технологии, основанные на применении ферментов, мы могли бы значительно улучшить экологию и повысить качество продукции.

Однако важнейшим конкурентным преимуществом нашей страны является наличие огромных запасов углеводородов (нефти и газа), которые на ближайшие 20 лет будут оставаться основным источником энергии, главной сырьевой базой для химической индустрии и в целом фундаментом для развития России. Повышение степени переработки углеводородного сырья, эффективное и экологически безопасное превращение его в различные химикаты - одна из главных задач отечественной промышленной биотехнологии.

Да, пока мы не можем поставлять готовые конкурентоспособные продукты тонкого химического синтеза. Но это не означает, что надо ограничиваться производством и продажей на международном рынке продуктов первичной переработки углеводородов. К сожалению, в настоящее время из России в Европу экспортируют большие количества таких соединений, зачастую высокотоксичных. Огромные масштабы транспортировки представляют угрозу для человека и окружающей среды. Гораздо целесообразнее перерабатывать нефть у нас в стране и затем перевозить нетоксичные соединения.

Промышленная биотехнология способна предложить уже сегодня (и еще больше в будущем) эффективные и экологически безопасные пути развития химической индустрии. Например, ныне на Запад мы поставляем десятки тысяч тонн акрилонитрила - высокотоксичного соединения (он используется для получения целой гаммы ценных производных, о чем я скажу ниже). Но ведь если бы на отечественных предприятиях подвергли данное сырье более глубокой переработке и предложили ее продукты, уже менее токсичные и достаточно востребованные в тонком органическом синтезе, то это вызвало бы больший интерес у наших зарубежных партнеров. Да и цена такого товара была бы значительно выше.

Мы считаем, что подобный подход очень хорошо сочетается с Европейской программой по устойчивому развитию химической индустрии и стремлением Европы сохранить статус крупнейшей в мире корпорации по производству химических продуктов. Ведь для этого требуются огромные сырьевые ресурсы, и Россия может их предоставить. Одна из тем, поднятых на симпозиуме ЕС-Россия в Санкт-Петербурге в июне 2006 г., - вопросы кооперации в биотехнологии, в частности в области "белой" биотехнологии. Я думаю, что подобное сотрудничество будет полезным для обеих сторон.

- Не могли бы Вы привести примеры биотехнологий, которые используются для переработки сырья, получаемого из нефти?

- Я много лет занимаюсь ферментами метаболизма нитрильных соединений, поэтому приведу пример из этой области. Мы разработали биокатализатор на основе микробных клеток для превращения акрилонитрила в акриламид. Совместно с ЗАО "Биоамид" и саратовским Научно-исследовательским институтом полимеров была создана промышленная технология, которую приобрела немецкая компания "Штокхаузен" и в настоящее время ее используют в нашей стране на Пермском предприятии "MSP" для производства полимеров на основе биоакриламида. Основной продукт производства - флоккулянты - водорастворимые полимеры, которые сорбируются на твердых частицах, взвешенных в жидкой фазе, изменяют их заряд и способствуют осаждению. Сегодня всю питьевую воду Москвы очищают именно так. Более того, Мосводоканал применяет флоккулянты на своих очистных сооружениях для обезвоживания активного ила, что способствует улучшению экологической обстановки в местах его хранения.

- А как перерабатывали акрилонитрил до внедрения технологии биокатализа?

- Его смешивали с серной кислотой при температуре 100 градусах. В этом случае процесс в принципе плохо управляем. Резиновая обувь, которую были вынуждены носить работники предприятия, больше трех месяцев не выдерживала. А биотехнология изменила "лицо" химии: комнатная температура, чистота, культуры выращиваются на водных средах. И следует отметить: производство акриловых мономеров - это первый отечественный позитивный опыт внедрения биотехнологий в химическую индустрию.

Теперь на очереди разработка комплексной программы по получению акриловых мономеров с помощью биокатализа и биосинтеза. Тем самым мы увеличим степень переработки сырья, получим мономеры для производства широкой гаммы полимеров и создадим технологическую базу для дальнейшего развития. Ведь именно гибридные химико-биологические технологии должны составить будущее химической индустрии.

- Называя преимущества России, позволяющие развивать промышленную биотехнологию, Вы сказали о наличии у нас избытка зерна. США тоже владеют мощным аграрным сектором. В чем сходства и рамичия подходов двух стран в этой области?

- В США существует большая промышленность по переработке зерна, в первую очередь кукурузного. Одним из продуктов, получаемых из него, являются глюкозные сиропы; с помощью микроорганизмов они трансформируются в такие клеточные метаболиты, как биоэтанол, органические кислоты, аминокислоты и др. Сегодня там вырабатывают около 14 млрд. т в год топливного этанола, и его производство постоянно увеличивается. Однако уже ясно, что в будущем кукуруза не сможет полностью удовлетворить потребности данного производства, поэтому сейчас специалисты изучают возможности использования в качестве сырья соломы и других отходов.

Россия также располагает собственной сырьевой базой для промышленной ферментации в виде дешевого зерна пшеницы и ржи. Но мы его не перерабатываем и не имеем глюкозных сиропов, а значит, не развиваем крупнотоннажную ферментационную промышленность. Правда, в последнее время в этой области намечаются изменения: биотехнологи предложили получать молочную кислоту - из нее производят биодеградируемые пластики, чем заинтересовались крупные отечественные производители зерна. И мы надеемся, что и у нас возникнут заводы по его комплексной переработке, следовательно, появятся глюкозные сиропы и будет создана сырьевая база для промышленной биотехнологии.

- Еще одним, третьим конкурентным преимуществом России для развития биотехнологии являются наши огромные лесные ресурсы. Что предлагает ГосНИИгенетика для того, чтобы его реализовать?

- Программа института направлена на внедрение ферментных технологий в целлюлозобумажное производство, где для отбеливания целлюлозы традиционно используют хлорсодержащие реагенты. Применение фермента ксиланазы для обработки пульпы позволяет усовершенствовать производственный процесс, резко снизить сброс в окружающую среду токсичных хлорсодержащих органических соединений и улучшить качество продукта - уменьшить содержание хлора. Ведь российская бумага, изготовляемая по традиционной технологии, не способна конкурировать с финской как раз по этому показателю.

Сотрудники ГосНИИгенетики в течение ряда лет занимаются разработкой новых препаратов для отбеливания пульпы. Дело в том, что природные штаммы грибов, способные разрушать древесину, содержат целый комплекс ферментов, в том числе целлюлазы и ксиланазы. И требовалось создать такой штамм, который бы продуцировал только ксиланазу. Данную задачу удалось решить с помощью генной инженерии. Был охарактеризован ферментный комплекс природного штамма, идентифицированы гены, кодирующие его, и затем прицельно инактивированы или, как говорят генетики, "нокаутированы" целлюлазные гены. Это очень сложная задача. И хотя генная инженерия в мире развивается уже почти 30 лет, тем не менее технологии отработаны, по существу, только для модельного объекта - кишечной палочки (Escherichia coli). Для микроорганизмов - а в данном случае речь идет о грибе Penicillium canescens - требуется огромная подготовительная работа по созданию генетической системы, включая методы отбора мутаций, вектора для клонирования, введения рекомбинантных ДНК в клетки и пр., на что уходят годы. Наш институт финансирует подобные исследования за счет своих инновационных проектов. Но учитывая, что генетика промышленных микроорганизмов является базой для дальнейшего развития промышленной биотехнологии в стране, представляется целесообразным выделять необходимые средства в рамках Федеральной целевой научно-технической программы.

- Александр Степанович, Вы упомянули о работе исследователей США по созданию технологий переработки соломы. Насколько реально решить эту задачу в ближайшем будущем и возможен ли подобный "прорыв" в отношении древесины?

- Действительно, в США соответствующая технология с целью получения биоэтанола уже апробируется на пилотных установках. Что касается экономически рентабельной переработки древесины в спирт, то это - более сложная задача. В СССР была целая сеть так называемых гидролизных заводов, производивших спирт из древесных отходов с применением серной кислоты. Однако в новых экономических условиях эти предприятия оказались нерентабельными. И, несомненно, важной задачей наших специалистов является их модернизация на основе ферментных технологий.

Корреспондент Евгения Сидорова, доктор биологических наук Александр Яненко