Где искать микроорганизмы, которые умеют синтезировать полимеры, и для чего их можно использовать — рассказывает Алексей Дудаев, научный сотрудник лаборатории биотехнологии новых биоматериалов Сибирского федерального университета.

— Алексей, у вас за спиной множество установок. Для чего они нужны?

Наука и жизнь // Иллюстрации

— Мы сейчас с вами находимся в ферментационном зале. Здесь стоят большие приборы для выращивания микроорганизмов, а мы занимаемся синтезом и получением биоразлагаемых полимеров, альтернатив неразрушаемых синтетических полимеров, которые получают из нефтепродуктов.

— В чём их преимущество?

— В том, что они природного происхождения. В почве, в водоёмах они разрушаются до безопасных веществ, до углекислого газа и воды. Это замена всем нашим привычным пластикам. К примеру, пластиковые бутылки зачастую сделаны из полиэтилена или полипропилена. Мы предлагаем им альтернативу. Но также у наших полимеров есть другая замечательная функция – применение в биомедицине. Наш организм часто страдает от различных травм и заболеваний, и тогда необходимо искать какие-то заменители, устройства или приборы, которые могут поддерживать работоспособность тех или иных систем или органов.

— Вы создаёте такие устройства?

— Да. Для этого у нас есть собственные запатентованные штаммы микроорганизмов, способные синтезировать полимеры, которые называются полигидроксиалканоатами – это большой класс полимеров. Мы здесь синтезируем широкую линейку. Самый простой – это гомополимер поли-3-гидроксибутират, самые сложные – сополимеры с включением различных сложных мономеров, например 3-гидроксигексаноата. У нас есть коллекция штаммов микроорганизмов, они находится в пробирках, живут там в специальной среде. Это называется музеем, и мы его поддерживаем.

Фото Наталии Лесковой.

— Каким образом штаммы синтезируют полимеры?

— Мы берём клетки и начинаем процесс, который называется ферментация. Клетки перемещают сначала в маленькую колбочку, наращивают их объём, из колб их переносят в большие ферментационные аппараты, в которых количество клеток увеличивается за счёт их активного деления. Сам полимер накапливается внутри клетки. Чем больше клеток, тем больше полимера. Соответственно, для того чтобы получать много полимера, нужно процесс масштабировать: от маленькой пробирки до большого реактора. У нас в лаборатории находится ферментёр на 150 литров. С него можно получать за один цикл примерно 6 килограм полимера. Один цикл длится примерно два с половиной дня. Затем полученный полимер можно перерабатывать и получать готовые изделия.

— О каких изделиях речь?

— Мы занимаемся, в том числе, бытовым применением и сельским хозяйством. Сейчас изучаем, как можно перерабатывать этот полимер в плёнки для получения пищевой упаковки, трубочек для напитков, начинаем исследовать прессование для получения твёрдых форм, чтобы делать лотки для пищевых продуктов. Совместно с Калининградским государственным техническим университетом исследуем новые субстраты.

— Почему именно с этим университетом? Калининград от вас далеко…

— Чтобы бактерия росла, ей нужно чем-то питаться, как и нам с вами. Наши бактерии питаются углеродными субстратами, всем тем, что содержит углерод. Классический углеродный субстрат для выращивания микроорганизмов – это глюкоза. Она используется повсеместно, это дорогой субстрат. Мы сейчас переходим на альтернативные дешёвые субстраты – различные отходы. Так вот, совместно с Калининградским государственным техническим университетом мы исследуем отработанные жиры. Как вы знаете, в Калининграде большая рыбопромысловая промышленность. Они вылавливают салаку, кильку, коптят её, получаются шпроты. При копчении рыбы стекает рыбий жир, который содержит в себе компоненты коптильного дыма. Этот жир не может использоваться в пищевую промышленность, его необходимо утилизировать. Утилизация – сжигание либо захоронение – это дорогостоящий и не слишком экологичный процесс. Для этого требуется либо большая площадь, либо дорогостоящее оборудование. А мы придумали, как этот жир можно использовать.

— Ваши бактерии его едят?

— Да, и им это нравится. Для них никаких отравляющих веществ этот жир не содержит. Таким образом, мы утилизируем отходы и получаем ценный продукт – биополимеры, из которых в дальнейшем можем получать различные изделия. Важно, что извлечённый из клетки полимер никакие компоненты самого субстрата в себе не содержит. Поэтому субстрат важен только для того, чтобы бактерия росла. Для наших бактерий предпочтительнее любые жиросодержащие субстраты, поскольку жиры имеют большую энергетическую ценность, соответственно, процесс синтеза на них эффективнее, мы получаем больше биомассы и больше полимеров.

— Каким образом ваш полимер можно использовать для медицинских целей?

— Мы научились выделять полимер 99,9% чистоты, он не содержит никаких компонентов бактериальной клетки, поэтому его действительно можно использовать в медицинской отрасли, в том числе для имплантации внутрь организма. Он невидим иммунной системе, поэтому не отторгается. Он фактически свой среди чужих, поэтому иммунных и аллергических реакций на него нет. Кроме того, с помощью 3D печати мы можем получить практически любую структуру, например кость. Эти изделия прошли испытания на животных – на мышах и свиньях, доказав, что мы можем использовать такие изделия при лечении повреждений костей. Результаты обнадеживают.

Фото Наталии Лесковой.

— В чём ещё их преимущество по сравнению с имеющимися аналогами?

— Преимущество ещё и в биодеструкции. При попадании в организм или в окружающую среду они разлагаются, в зависимости от формы, от толщины изделия, от условий, процесс разложения занимает от месяца до года. Процесс разложения – это микробная или ферментативная деструкция. Бактерии, которые находятся в почве, используют полимер в качестве питания, таким образом, они его разлагают на воду и углекислый газ. Затем углекислый газ ассимилируется природой, происходит круговоротный цикл, получается так называемая замкнутая экономика. То есть, изначально мы берём углерод, превращаем его в продукт – полимер, затем он разрушается до углекислого газа и воды, после чего мы углеродные источники, получаемые из углекислоты, возвращаем обратно для синтеза полимера. В том числе, как дополнительный источник питания может быть использован сам углекислый газ, который накапливается в больших количествах, а мы можем его утилизировать для синтеза биополимера.

— Какие бактерии вы используете?

— Мы используем бактерию Cupriavidus necator B-15081. Это собственный запатентованный природный штамм. Мы собираем бактерии из окружающей среды, они живут повсеместно. Например, этот штамм выделен из образца почвы. В природе, когда наступают неблагоприятные условия, бактерия может использовать полимер как альтернативный источник энергии. Внутри неё он регулярно накапливается. Допустим, если вокруг бактерии создаются условия, когда ей неоткуда потреблять питание, она начинает использовать полимер для обеспечения жизнедеятельности.

— Для нас эти бактерии не опасны?

— Нет, абсолютно не опасны, они не патогенны. При этом важно, что полимер выделяется из клетки, и никакие клеточные бактериальные компоненты в полимер не попадают. Полимер – это отдельное вещество, там нет ни бактериальной стенки, ни липидов, которые обычно вызывают у нас иммунные реакции. Именно поэтому полимер нашим иммунитетом воспринимается как свой. При разрушении внутри организма он разлагается на естественные для организма метаболиты.

— В таких целях можно использовать только почвенные бактерии?

— В принципе, бактерии выделяются из окружающей среды, из природы: из водоемов, с растений, не только из почвы. Мы ещё много чего о нашей окружающей среде не знаем, поэтому наша цель – в том числе искать новые высокопродуктивные штаммы, которые будут синтезировать больше полезных продуктов.

— Ведутся ли подобные работы где-то ещё?

— Аналогов нашим исследованиям в России пока нет. Синтез полигидроксиалканоатов в таких масштабах производят только в Красноярске. У нас большие перспективы, и мы надеемся выйти на промышленный уровень примерно через пять лет. А пока работа в лаборатории продолжается.

— Президент России в 2022 году объявил Десятилетие науки и технологий. Помогает ли это вам в научной работе? 

— Это мотивирует работать больше и усиленнее. Как известно, одно из ключевых мероприятий Десятилетия науки и технологий – Конгресс молодых учёных. Я был участником двух из них, стал лауреатом первого конкурсного отбора Стипендии президента аспирантам и адъюнктам. Это уникальная возможность пообщаться с коллегами, узнать, какие прорывные технологии появились, наметить планы на будущее.