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

Купить недорого Двуспальный матрас.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD