FAQ: Биотехнологии микроводорослей15.11.2014 15:07

Биотехнология микроводорослей возникла из исследований, связанных с тремя разными областями: космосом, подводными лодками и бомбоубежищами. Эти исследования были связаны с обострением международной обстановки в шестидесятые годы и были нацелены на разработку систем жизнеобеспечения закрытого типа. Эти системы должны были применяться в условиях, где нет выхода углекислоте, которую надышал человек, образующимся отходам, а также там, где требуются источники пищи в виде белка, углеводов и липидов. Для всех этих условий можно использовать и используют микроводоросли. В биотехнологиях микроводорослей используется фундаментальное свойство фотосинтезирующих клеток — способность фиксировать СО2 из атмосферы и преобразовывать его в разнообразные вещества (биомассу) с выделением в атмосферу кислорода. То же самое делают и растения. Но микроводоросли растут гораздо быстрее. Кроме того, микроводоросли не претендуют на сельскохозяйственные площади, занятые пищевыми сортами растений.

1. Прикладные исследования микроводорослей В 70–80-е годы прошлого века в СССР биотехнологией микроводорослей занималось множество лабораторий в России, Молдавии, Казахстане, Узбекистане, Эстонии, на Украине. В то же самое время эти исследования активно развивались в США, Израиле, Австралии, Германии (ГДР), Испании, Италии, Японии. Все эти работы в конечном счете вылились в разработку систем жизнеобеспечения для космических полетов, технологий получения биотоплива третьего поколения, медицинских и профилактических препаратов, а также пищевых добавок и косметических средств. Сегодня (2014) биотехнологии микроводорослей, как, впрочем, и все другие технологии, в РФ развиваются не очень интенсивно. Работы в этом направлении ведутся в МГУ, Институте физиологии растений РАН. Какие-то работы проводятся еще в 3–4 лабораториях академических или учебных учреждений. В этом же направлении работают 3–5 частных компаний (из Пензенской, Вологодской, Новосибирской областей). Эти фирмы занимаются разработкой систем культивирования микроводорослей, в основном хлореллы, для нужд птицеводства и животноводства. Компании же, работающие в области производства биодобавок или косметических средств, в основном пользуются дешевым зарубежным сырьем, которое завозится из теплых стран. К нам часто обращаются так называемые «хлорелловоды», как частные лица, так и из компаний, которые пытаются выращивать микроводоросли (обычно все ту же хлореллу) или цианобактерии (обычно спирулину) для каких-то своих нужд. В частности, мы обучали технике и принципам культивирования представителей нескольких частных компаний. Хочется надеяться, что переданные знания и опыт не пропадут и будут как-то использованы для полезного дела.

2. Микроводоросли в медицине

Медицинское и профилактическое применение микроводорослей весьма разнообразно. Из микроводорослей получают фотосенсибилизаторы для фотодинамической терапии. Микроводоросли — продуценты антиоксидантов (например, водоросли рода Гематококкус являются источниками астаксантина для промышленного производства), различных пигментов, таких как бета-каротин (наиболее известный продуцент бета-каротина — микроводоросли рода Дуналиелла — по содержанию этого вещества на несколько порядков опережает морковку), астаксантины, антоцианы, фикоцианины (синие красители), фикоэритрины (розовые красители) и другие используемые непосредственно в качестве лекарственных препаратов.Микроводоросли удивительны тем, что их метаболизм очень пластичен. Например, красные микроводоросли рода Порфиридиум являются продуцентами таких полиненасыщенных жирных кислот, как арахидоновая и эйкозапентаеновая. В организме человека эти кислоты функционируют как антагонисты. Если на основе арахидоновой кислоты в организме человека синтезируются вещества, являющиеся медиаторами болевых ощущений, то эйкозапентаеновая кислота является, наоборот, предшественником обезболивающих медиаторов. Изменение условий культивирования (температура, освещение, концентрация углекислого газа) способно менять соотношение этих двух кислот и, следовательно, получать медицинские препараты с заданными свойствами. Микроводоросли также можно применять для синтеза стабильных изотопов, которые используются в медицинской диагностике. Например, можно предложить микроводорослям в качестве среды для роста вместо обычной воды дейтерированную воду, то есть не H2O, а D2O. Удивительным образом некоторые виды микроводорослей (та же хлорелла) способны адаптироваться к таким нелегким условиям бытия. Все соединения, содержащиеся в таких адаптированных клетках, будут равномерно мечены дейтерием. Или другой пример: можно растить клетки в обычной воде, но при этом продувать их воздушной смесью, содержащей изотоп CO2 (13С) или азота (15N), в результате чего мы получим соединения, которые будут равномерно помечены стабильными изотопами углерода и/или азота. Дальнейшая задача заключается только в очистке желаемых соединений, необходимых для диагностики. Это могут быть белки, углеводы, липиды, жирные кислоты — все что угодно.

3. Микроводоросли в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности Многие виды микроводорослей (хлорелла и дуналиелла) пригодны для того, чтобы употреблять их в качестве пищи прямо в натуральном виде без предобработки. Поэтому эти микроводоросли используются в качестве пищевых добавок и добавок к кормам для животных, птицы. Хлореллу применяют при выращивании бройлеров в качестве источника витаминов, белков и углеводов. Натуральные пигменты, содержащиеся в таких пищевых добавках, не только способствуют оздоровлению поголовья, но улучшают товарный вид продуктов. Например, желтки в яйцах от несушек, которым в корм добавляют микроводоросли, имеют более выраженную ярко-желтую окраску.

Хлорелла, выращенная в оптимальных для накопления биомассы условиях (содержит 50% белка и 30% углеводов), может быть использована в качестве препарата для спортивного питания. Обычная диета предполагает 30% белка и 50% углеводов. Этого соотношения можно достичь, культивируя хлореллу в фотобиореакторах при повышенной температуре или в условиях ограничения по азоту в среде выращивания.

Разрушенные клетки микроводорослей, которые часто называют пастой или деструктатом, активно используют в косметике в качестве сырья для изготовления масок, для добавок в крем, в губные помады.

Кроме того, некоторые микроводоросли обладают удивительным заживляющим эффектом и используются как противоожоговые средства. Еще в 80-е годы XX века в Болгарии было создано производство пластырей на основе хлореллы, которые применялись для лечения ожогов. Ими даже оснащались пожарные команды. Кажется, до сих пор не известно, какое конкретное вещество или комбинация соединений обеспечивает этот заживляющий эффект. Однако такие заживляющие пасты применяются как в косметологии после пластических операций, так и для лечения ожогов. В частности, такие исследования по изучению заживляющего эффекта препаратов из хлореллы и спирулины проводились в НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского.

4. Микроводоросли на боевом посту

Множество технологических прорывов связано с военными, которым всегда что-нибудь надо — либо для обороны, либо для нападения. В случае с микроводорослями им понадобились свойства невидимок. В частности, самолеты-невидимки: стелсы покрывают специальным пигментом, поглощающим волны радаров. Эти пигменты получали из галобактерий, а сейчас найдены микроводоросли, которые продуцируют такие же или очень похожие вещества. Отражательная способность поверхности, которая также важна для эффекта незаметности, повышается сочетанием пигментов и специальных пластиков, которые, к слову, тоже можно получать из биомассы микроводорослей. Современные фундаментальные знания о путях биосинтеза различных пигментов (неважно, какой именно организм их синтезирует) в сочетании с возможностями генной инженерии позволяют получать практически любой пигмент, который будет поглощать волны в том диапазоне, в котором вы, заказчик, пожелаете. 5. Производство микроводорослей: бассейны против фотобиореакторов Микроводоросли хороши тем, что очень быстро размножаются, не занимая при этом сельскохозяйственных площадей. Микроводоросли выращиваются либо открытым способом в водоемах или бассейнах под солнцем, либо в закрытых фотобиореакторах с использованием искусственного освещения. И в том и в другом случае имеются свои плюсы и минусы. Если микроводоросли нужны для получения биомассы, которая будет использована как корм для животных, либо для дальнейшей переработки в сырьевые материалы: биотопливо, бионефть и т. п., то предпочтительным выглядит малозатратный способ культивирования с использованием больших площадей открытых водоемов и бесплатного солнечного света. При этом надо иметь в виду, что не долетевшие до цели насекомые, а также экскременты птиц и т. п. могут оказаться в бюджетной биомассе. Поэтому, если целью является получение определенных веществ для нужд медицины, производство которых требует технологических ограничений в виде заданных режимов культивирования (температура, свет, состав и свойства среды, концентрация углекислого газа и т.д.), очевидно имеет смысл выращивать микроводоросли в асептических биореакторах с искусственным освещением и контролируемыми условиями. Это выйдет дороже: вы затратите больше энергии и ресурсов, но в итоге будете иметь конечный продукт, полученный в контролируемых условиях.

6. Новый вид биотоплива

Современное жидкое биотопливо представляет собой либо спирты, либо углеводороды. Но на самом деле то сырье, которым мы пользуемся сейчас в качестве топлива: уголь, нефть, газ, торф — это и есть биотопливо, поскольку все это является продуктами разложения биомассы растений, выдержанными, правда, в течение сотен миллионов лет. Соответственно, для того чтобы получить это биотопливо сейчас, не затрачивая времени, мы должны вместо миллионов лет вложить в исходное сырье какое-то количество энергии, поскольку просто так ничего ниоткуда почему-то не берется. Как известно, современное биотопливо уже имеет некую историю и шагнуло через несколько поколений. Биотопливо, получаемое из микроводорослей, относится к продуктам третьего и четвертого поколения. Это уже весьма продвинутые технологии. Однако и сегодня состояние производства топлива из микроводорослей таково, что на одну единицу энергии, которую мы получаем, надо потратить 5–6 единиц энергии, уже нами полученной из невосполнимых запасов. То есть это процесс на данный момент, в принципе, нерентабельный. Но технологии развиваются. В 2014 году одна из американских исследовательских (непроизводственных) групп уже утверждала, что способна предложить биобензин по цене 25 американских центов за литр. А это уже очень неплохое достижение. Особенно учитывая сегодняшние отечественные цены на бензин, который далеко не «био». Очень важно понимать и использовать все возможности биотехнологии, подключая сюда и возможности генетической инженерии, которую многие почему-то активно опасаются. Мы можем создавать такие штаммы микроводорослей или цианобактерий, которые являются суперпродуцентами каких-то определенных соединений. Но можно пользоваться и, так сказать, «кладовыми природы». Одно другому не противоречит, а, наоборот, дополняет. В 2014 году мы выделили из природы штамм, который производит только короткие мононенасыщенные жирные кислоты в огромном количестве. Этот штамм является идеальным для производства биодизеля.

К сожалению, не все группы, в которых ведутся подобные разработки, охотно делятся знаниями о своих достижениях. А ведь речь тут идет не о каких-то национально-групповых преимуществах, а о перспективах устойчивого развития всего человечества в масштабах всей планеты. Эта проблема как никогда актуальна из-за очевидного истощения невозобновляемых энергетических и сырьевых природных ресурсов. Но, так или иначе, биотехнологии микроводорослей, включая производство биосырья и биотоплива, — это технологии уже не такого далекого будущего, без которых человечество дальше развиваться не сможет.

Fariza K. Sarsekeyeva1, Aizhan A. Usserbaeva, Bolatkhan K. Zayadan, Kirill S. Mironov, Roman A. Sidorov, Anna Yu. Kozlova, Elena V. Kupriyanova, Maria A. Sinetova, Dmitry A. Los./ Isolation and Characterization of a New Cyanobacterial Strain with a Unique Fatty Acid Composition// Advances in Microbiology. — Vol.4 No.15, November 2014

Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru