Технологии, основанные на ферментативном катализе, сегодня используют во многих отраслях промышленности. Без них не обойтись при выпечке хлеба, выработке пива и спирта, откармливании бройлерных цыплят, приготовлении соков и различных напитков, моющих средств, производстве большинства видов текстильной продукции, получении целлюлозы - список можно продолжить. Поэтому поиск эффективных и при этом недорогих ферментов - исключительно важная задача. О последних достижениях российских ученых в этой сфере нашему корреспонденту Евгении Викторовой рассказал заведующий лабораторией физико-химической трансформации полимеров химического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова доктор химических наук Аркадий Синицын.

стр. 4

Состояние мирового рынка технических ферментов.

Трехмерная структура из эндоглюканазы III (Penicillium funiculosum).

- Аркадий Пантелеймонович, в Вашей лаборатории развернуты исследования по биокатализу, результаты которых высоко оценивают специалисты. Кстати, одна из первых публикации о работе с ферментами-целлюлазами на кафедре химической энзимологии химфака МГУ вышла в 1981 г. в нашем журнале (тогда "Наука в СССР").

- В начале 1980-х годов впервые на государственном уровне возникла идея использовать ежегодно возобновляемые природные ресурсы (древесину, однолетние растения) для получения такого спектра продуктов, включая моторное топливо, который традиционно добывали из нефти и ее производных. И сотрудники нашей кафедры под руководством заведующего члена-корреспондента АН СССР Ильи Березина начали работы по биоконверсии целлюлозы. Усилия исследовательской группы (в 1991 г. ей присвоили статус лаборатории) были направлены на поиск микроорганизмов, продуцирующих соответствующий комплекс ферментов, и отбор наиболее активных их штаммов.

Сегодня наш коллектив продолжает заниматься получением ферментов, расщепляющих полимеры природного происхождения, - целлюлозы, гемицеллюлозы, крахмала, пектинов. При этом происходит превращение полисахаридов в моносахариды - например, целлюлозы в глюкозу, которая с помощью микроорганизмов может быть затем трансформирована в этанол, бутанол, другие спирты, органические кислоты, аминокислоты, иные продукты, в свою очередь преобразуемые посредством химического или ферментативного катализа. Мы имеем дело с длинной цепочкой превращений и должны влиять на способность продуцентов выделять нужные ферменты или их комплекс, подбирая оптимальные питательные среды, температуру, меняя условия аэрации, прибегая к селекции, а также к генетической инженерии.

- Вы упомянули о возможности получения из древесины с помощью ферментативного катализа тех же продуктов, что из нефти. В какой мере эта идея реализована сегодня?

- Интерес к ней на какое-то время ослаб, но в наши дни она вновь популярна в США и Европе. Здесь даже ввели налоговые льготы, благодаря чему стало

стр. 5

возможным довольно широкое применение биоэтанола. Это объясняется стремлением развитых стран снизить свою зависимость от нефтяного рынка*.

Но реально ли в ближайшем будущем найти замену "черному золоту" в виде альтернативных продуктов, вырабатываемых на специально созданных фабриках? Для этого, в частности, нужно нарастить сырьевую базу, и резервы, казалось бы, есть. Например, в США, где крахмал добывают из зерна кукурузы, остаются неиспользованными ее стебель, початок, оболочка, представляющие собой некрахмальные полисахариды. В Калифорнии не знают, что делать с соломой, остающейся после сбора урожая риса. В Канаде, России много лесосечной древесины. Однако ферментативный гидролиз названных отходов без предварительной обработки (существует несколько принципиально разных способов) протекает очень медленно: кристаллическая целлюлоза, перемешанная с лигнином, играющим роль клея, - очень прочная структура (разумеется, это экологически оправдано: если бы в природе такой процесс шел быстро, плесневые грибки с помощью своих ферментных систем "пожрали" бы всю растительность вокруг). Но механические или химические воздействия требуют больших энергетических затрат, что делает производство довольно дорогим.

- Какую же технологию применяют на современных предприятиях?

- Технологии получения этанола основаны на использовании зернового сырья, которое подвергают тепловому воздействию при температуре выше точки плавления крахмала, затем добавляют фермент альфаамилазу, разрушающую крахмал до олигосахаридов. На второй стадии вводят глюкоамилазу, продолжающую превращение олигосахаридов до глюкозы, и одновременно дрожжи. Начинается брожение.

Следует отметить: уже создаются заводы по производству этанола из растительного сырья. В западных странах физики, химики, инженеры пытаются оптимизировать технологию предварительной обработки последнего, хотя изменить что-либо в этой сфере радикально пока вряд ли удастся. Зато весьма перспективен поиск новых ферментов. Канадская компания "Айоген" первой в своей стране построила полномасштабный завод для выработки этанола из соломы, первоначально подвергаемой паровому взрыву. На следующем этапе необходимо добавить ферментный комплекс, максимально сбалансированный для разрушения набора имеющихся в составе сырья полисахаридов (его получают на том же предприятии). Кстати, прежде чем заняться производством популярного сегодня биотоплива, названная компания выпускала ферментные препараты для обработки текстиля, в частности джинсовой ткани.

Сегодня специалисты хорошо знают, как произвести нужный фермент и заставить его работать активнее, чтобы получить дешевую глюкозу, а из нее с помощью свободных или иммобилизованных клеток дрожжей и бактерий - этанол. Из глюкозы получают резину, из этанола с помощью гидрогенного катализа - этилен. Но повторяю: камнем преткновения остается подготовка исходного сырья.

Конечно, можно найти виды целлюлозного сырья, не требующие предобработки. К ним относятся коротковолокнистые отходы целлюлозно-бумажной промышленности, не пригодные для формования бумаги, или, скажем, макулатура. Ведь, по существу, бумага - это готовое сырье для ферментативного гидролиза (лигнин удален). Однако сегодня ее выгоднее использовать по прямому назначению (1 т сухой целлюлозы стоит приблизительно 500 дол.), хотя не исключено, что при дальнейшем росте цен на нефть этот материал будет востребован и для производства биотоплива.

* См.: А. Яненко. Приоритеты промышленной биотехнологии. - Наука в России, 2006, N 5 (прим. ред.).

стр. 6

- Находит ли идея биоконверсии возобновляемого растительного сырья отклик в России?

- У нас экономически оправдано производство различных мономеров и аминокислот по такой технологии, но не моторного топлива. И многие специалисты считают, что основной "тормоз" - акциз на спирт, удваивающий его цену: проданный по себестоимости, он был бы востребован автолюбителями.

- Но ведь биоэтанол можно производить на экспорт?

- Некоторые государства, в их числе Казахстан, где недавно построен завод, производящий из зерна 30000 гегалитров биоэтанола в год, стремятся экспортировать данный продукт. В нашей же стране спирт из данного сырья вырабатывают традиционно. Правда, сейчас в отрасли действует всего около 100 предприятий, но их число может увеличиться - ведь зерна у нас предостаточно и можно еще наращивать его выработку. Часть заводов, помимо спиртово-бродильных, имеет и цеха для производства необходимых для гидролиза крахмала ферментов. Впрочем, сегодня эту продукцию в связи с приходом на рынок импортных ферментных препаратов потребляют не более 25% предприятий. С ними активно сотрудничают отечественные ученые: разрабатывают новые технологии, подбирают более продуктивные штаммы микроорганизмов.

Недавно нам посчастливилось найти исключительно активный штамм, продуцирующий комплекс целлюлолитических ферментов, эффективность которого сегодня самая высокая в мире. Иными словами, за единицу времени 1мг его белка перерабатывает наибольшее количество целлюлозы. Дальнейшей задачей было выяснить природу уникальных свойств микроорганизма, чтобы усилить их посредством генетических манипуляций.

- Расскажите, пожалуйста, подробнее о работе, входе которой состоялось открытие.

- Был такой двухгодичный проект Министерства образования и науки РФ, завершившийся в конце 2006 г. Итогом стала разработка технологий получения ряда технических ферментов, превосходящих мировой уровень.

- Что означает в данном случае термин "технические"?

- Речь идет об эффективных и одновременно дешевых ферментах, в больших количествах применяемых для различных хозяйственных целей. Их производят сотнями и тысячами тонн для пищевой, спиртовой, молочной, мясной промышленности, хлебопечения, пивоварения, производства напитков, соков, а также для текстильной и целлюлозно-бумажной отраслей. Скажем, протеаза помогает удалить грязь при подготовке шерстяных изделий. Джинсовая ткань имеет вид "стиранной с камнями" благодаря действию целлюлаз.

В основе таких технологий - высокопродуктивные штаммы, как правило, микроскопических грибов, в ряде случаев - бактерий, вырабатывающих комплекс внеклеточных ферментов (целлюлаз, гемицеллюлаз, протеаз, пектиназ и др.). Отмечу: генетически модифицированный продукт обычно вырабатывает какой-нибудь один фермент. В нашем же проекте не ставилась задача добиться этого, и подбор штаммов осуществляли классическим образом, не прибегая к генной инженерии, что немаловажно при использовании разработок в пищевой промышленности.

Мы сотрудничали со специалистами из Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН (г. Пущино) и Научно-исследовательского института пищевой биотехнологии РАСХН, занимающимися получением высокоактивных мутантных штаммов микроорганизмов. Участвовал в проекте и Институт биохимии им. А. Н. Баха РАН, на базе которого мы создали Центр коллективного пользования.

- Вероятно, этот Центр предназначен для продолжения совместных исследований?

- Да, благодаря усилиям участников упомянутого проекта сегодня имеются помещение и инфраструктура, насыщенная новой техникой для микробного синтеза, исследований ферментов.

- Вы отметили, что в ходе проекта Министерства образования и науки РФ были разработаны технологии получения ряда ферментных комплексов. В каких отраслях их можно использовать?

- Мы предложили 6 групп ферментов. Первая - термостабильные альфа-амилазы, предназначенные для разжижения крахмала на первом этапе получения этанола из зерна. Вторая объединяет глюкоамилазы, катализаторы образования глюкозы из крахмала и мальтодекстринов. Третья и четвертая - целлюлазы и сопутствующие им ферменты. Мы разрабатывали их для применения в качестве кормовых добавок на отечественных птицефермах, поскольку в нашей северной стране предназначенные пернатым рожь и пшеница содержат очень вязкий некрахмальный полисахарид ксилан, и птицы с такой пищей самостоятельно не справляются. Ксиланазы же разрушают ксилан, а сопутствующие им ферменты - другие некрахмальные полисахариды зерна. Поэтому сейчас практически все корма выпускают с ферментными добавками.

стр. 7

Мини-реакторы для проведения в лабораторных условиях биополировки и депигментации хлопчатобумажной ткани.

A - джинсовая ткань (удаление индиго),

B - хлопчатобумажная ткань (биополировка).

К пятой группе относятся щелочные бактериальные протеазы, добавляемые в моющие средства. К шестой - грибные кислые протеазы, предназначенные для пищевой промышленности, а именно - получения легкоусвояемых белковых гидролизатов из дрожжевого или животного белка. Этот продукт необходим, например, спортсменам.

Как видите, мы разрабатываем разные технологии, причем связанные с гидролизом некрахмальных полисахаридов используют в ряде отраслей, из которых наиболее активно развиваются производство кормовых добавок, пивоварение, пищевая и текстильная промышленность.

- Вы упомянули, что один из ферментных комплексов, полученных вашей исследовательской группой, представляет интерес для производства биоэтанола.

- Действительно, целлюлазы, которые первоначально предназначались для нужд животноводства в качестве кормовой добавки, оказались весьма ценными также в совершенно иной сфере. Это удачный пример универсальности, свойственной ферментам. Мы продолжаем исследовать особенности уникального микроскопического гриба, вырабатывающего этот комплекс. Ведь высокую активность промыш-

Биополировка хлопчатобумажной ткани:

A - поверхность до обработки целлюлазами,

B - поверхность после обработки целлюлазами.

ленного штамма необходимо постоянно поддерживать: он стремится вернуться в свое первобытное состояние, а наша задача - этого не допустить. Западные партнеры, в первую очередь в США, где в ближайшие десятилетия планируют существенный рост производства биотоплива, проявляют большой интерес к нашей разработке. В России же целлюлазы пока находят применение в текстильной, целлюлозно-бумажной и пищевой отраслях.

- Итак, отечественные биотехнологии сегодня интегрированы в мировую науку?

- Могу утверждать: российские специалисты обладают серьезным авторитетом в мире, подобных исследовательских коллективов немного. Нам заказывают работы, но и мы учимся у коллег, происходит взаимное обогащение. Что же касается биоконверсии растительного сырья в нашей стране, то крупные сельскохозяйственные компании, производящие корма и удобрения, и целлюлозно-бумажные предприятия, стремящиеся утилизировать накапливающиеся у них отходы, начинают проявлять интерес к этой проблеме, а значит, и к работе ученых. Однако значительных шагов, по-видимому, можно ожидать, только когда решение о наращивании производства биотоплива будет принято на государственном уровне. Думаю, получаемые нашими специалистами ферменты-катализаторы обязательно должны быть востребованы в России.

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: