Пальне із соломи й антибіотик із дріжджів: які наукові розробки готують у Львові

У Львові науковці шукають способи виробляти етанол із соломи та вітамін B2 із нехарчової сировини за допомогою дріжджів. Також вони створили штами дріжджів, які продукують бактеріальний антибіотик значно ефективніше, ніж його природні продуценти, та розробляють нові підходи до протипухлинної терапії.

РБК-Україна в інтерв’ю з директором Інституту біології клітини НАН України Костянтином Дмитруком розпитало про перспективи цих розробок і перешкоди, які заважають їх впровадженню.

− На яких головних дослідженнях та розробках зараз сфокусований ваш Інститут?

− Інститут має чотири відділи, кожен із яких працює над своїми напрямами. Близько половини вчених працюють з мікроорганізмами − переважно дріжджами та бактеріями, а решта − із клітинними лініями, зокрема здоровими та раковими.

Відділ молекулярної генетики та біотехнології займається генетичною інженерією дріжджів для отримання біологічно активних сполук. Це біопаливо, вітаміни, антибіотики та білки. Також дослідники вивчають деградацію білків у дріжджів.

У відділі аналітичної біотехнології досліджують ферменти, перспективні для визначення важливих аналітів та створення біосенсорів. Ще один напрям − синтез нанозимів, тобто штучних ферментів на основі наноматеріалів.

Читайте також: "Ноосфера" почала новий антарктичний сезон: які дослідження й проєкти планують вчені

У відділі регуляції проліферації клітин і апоптозу досліджують протипухлинну активність синтетичних і природних сполук, а також розробляють системи доставки біологічно активних речовин на основі наноматеріалів. Крім того, науковці створюють нові матеріали для регенеративної медицини.

У відділі сигнальних механізмів клітини розробляють підходи до лікування онкологічних захворювань, досліджують амінокислотні аналоги як протипухлинні та протимікробні агенти. Також тут отримують моноклональні антитіла до антигенів біотехнологічного та медичного значення.

− Одна з прогресивних розробок Інституту − отримання етанолу із нехарчової сировини, зокрема соломи. Чим важлива ця технологія?

− Вона дає змогу отримувати біопаливо з відходів сільського господарства та деревообробної промисловості. Головна перевага полягає у використанні нехарчової сировини, тому виробництво такого біопалива не конкурує за сировину з виробництвом харчових продуктів.

Отримання етанолу із соломи складається з кількох етапів. Спочатку сировину подрібнюють, а потім піддають попередній обробці кислотами або лугами, часто за підвищеної температури чи тиску. Далі грибні ферменти розщеплюють целюлозу й геміцелюлозу до простих цукрів, які дріжджі перетворюють на етанол.

Для рентабельності процесу важливо ефективно зброджувати не лише глюкозу, а й ксилозу − цукор, що міститься в геміцелюлозі.

Ми використовуємо дріжджі Ogataea polymorpha. На відміну від класичних спиртових дріжджів, вони здатні зброджувати не лише глюкозу, а й ксилозу та здійснювати алкогольну ферментацію за температури 45-48 градусів.

Завдяки такій термотолерантності можна поєднати ферментативний гідроліз рослинної сировини, який відбувається за підвищеної температури, з алкогольною ферментацією в одному технологічному процесі.

Однак природна здатність цих дріжджів зброджувати ксилозу була недостатньо ефективною. Ми вдосконалили ці дріжджі й більш ніж у 30 разів підвищили продукцію етанолу з ксилози. Для цього ввели відповідні гени, змінили регуляцію їхньої експресії та модифікували транспортер глюкози, щоб він ефективно переносив у клітину не лише глюкозу, а й ксилозу.

− Чи допоможе ця технологія здешевити виробництво палива і коли її можна буде застосовувати на практиці?

− Розробка ще потребує значного доопрацювання і поки далека від промислового використання.

Є кілька невирішених проблем. Одна з них − токсичні сполуки, які утворюються під час попередньої обробки сировини. Коли солому обробляють кислотами, вивільняються речовини, які пригнічують життєдіяльність дріжджів.

Тому потрібно підвищити стійкість дріжджів до цих сполук. Ми зараз працюємо над цим в межах проєкту за підтримки Національного фонду досліджень України.

Також потрібні пілотні установки, на яких можна буде перевірити весь процес виробництва: від підготовки сировини до отримання етанолу шляхом дистиляції.

Етанол із соломи чи тирси навряд чи буде дешевшим за той, який виробляють із цукру або крохмалю. Адже нехарчову сировину потрібно попередньо обробляти, а для вивільнення цукрів використовувати дорогі ферменти.

Головна перевага цієї технології − можливість використовувати для виробництва біопалива нехарчову сировину.

Сьогодні етанол отримують переважно з крохмалевмісної сировини, зокрема зерна кукурудзи, пшениці та інших зернових культур, а також із цукровмісної сировини, насамперед цукрової тростини та цукрових буряків.

Ці культури використовують і для харчових потреб. Тому технологія виробництва етанолу із соломи чи тирси особливо перспективна, оскільки дає змогу уникнути конкуренції за харчову сировину.

− Дріжджі також можуть допомогти у виробництві вітаміну B2. Це здешевить технологію?

− Вітамін B2, або рибофлавін, виробляють у значних обсягах. Його широко використовують як кормову добавку у тваринництві, як натуральний барвник у харчовій промисловості, а також у складі полівітамінних комплексів і дієтичних добавок.

На початку 2000-х років хімічний синтез вітаміну B2 почали поступово замінювати мікробною ферментацією, за якої вітамін продукують мікроорганізми. Цей метод дешевший, екологічніший та енергоефективніший. Сьогодні основними промисловими продуцентами вітаміну B2 є бактерії та нитчасті гриби.

Читайте також: Дзеркальне життя: чому створення нових бактерій стало загрозою для Землі

Раніше для промислового виробництва рибофлавіну використовували також дріжджі Candida famata. Однак від цієї технології відмовилися через нестабільність штамів-продуцентів, які з часом втрачали здатність до високої продукції вітаміну.

Із застосуванням методів генетичної та метаболічної інженерії нам вдалося підвищити продукцію рибофлавіну цими дріжджами та стабільність отриманих штамів.

Для цього ми ввели додаткові копії генів біосинтезу рибофлавіну та змінили регуляцію цього процесу. Також посилили синтез попередників рибофлавіну та його секрецію з клітини.

− У чому перевага дріжджів перед бактеріями у виробництві вітаміну B2?

− За продуктивністю наші дріжджові штами поки що поступаються бактеріальним продуцентам. Однак важливою перевагою нашого підходу є можливість використовувати ширше коло субстратів, зокрема дешеву нехарчову сировину та побічні продукти інших виробництв.

Ми показали можливість використання, зокрема, гідролізатів багаси, тобто рослинної маси, що залишається після вилучення соку із цукрової тростини, а також молочної сироватки, яка є побічним продуктом виробництва сиру.

Сироватка містить понад 90% води, тому її транспортування на значні відстані економічно невигідне. З неї можна отримувати цінні білкові концентрати та лактозу, але така переробка потребує спеціального та дорогого обладнання, тому доступна не кожному підприємству.

Через це сироватку часто використовують як дешевий корм для тварин або утилізують іншими способами.

Водночас сироватка містить лактозу, азотисті сполуки та мікроелементи, які можуть бути субстратами для росту дріжджів і синтезу рибофлавіну. Наші дріжджі здатні використовувати таку сироватку для виробництва вітаміну B2.

Тому поєднання виробництва сиру з біотехнологічним отриманням рибофлавіну безпосередньо на підприємстві могло б одночасно вирішити проблему утилізації сироватки та зменшити витрати на сировину для виробництва вітаміну.

− В Інституті також працюють над створенням штамів дріжджів, які продукують антибіотики. Чи означає це, що Україна зможе сама виробляти свої препарати?

− Створення штамів дріжджів, які продукують антибіотик, є важливим науковим результатом, оскільки дріжджі зазвичай не є продуцентами класичних антибіотиків.

Нам вдалося сконструювати штами, які продукують амінорибофлавін, похідне вітаміну B2 з антибактеріальною активністю. Він діє проти низки бактерій, зокрема золотистого стафілокока, включаючи метицилінрезистентний Staphylococcus aureus (MRSA).

Ця розробка поки залишається на рівні лабораторного продуцента. Щоб вона стала основою для створення нового антибіотика і зрештою перетворилася на готовий препарат, потрібно пройти низку складних етапів. Насамперед необхідно підвищити продуктивність штамів та оптимізувати ферментацію для промислового виробництва.

Також необхідно розробити технології виділення й очищення цих антибіотичних сполук до фармацевтичної якості. У цьому напрямку ми вже маємо певні напрацювання. Але значно складніший і дорожчий етап − повний комплекс доклінічних досліджень.

Йдеться про дослідження токсичності, фармакокінетики та ефективності на тваринах. Далі − клінічні випробування на людях, а після них реєстрація препарату та його впровадження у виробництво.

Усе це потребує значного часу і коштів. В українських умовах пройти шлях від лабораторного штаму до зареєстрованого антибіотика реально лише за умови серйозних інвестицій, державної підтримки та міжнародної співпраці. Без цього розробка може залишитися на рівні перспективної наукової платформи.

Є й глобальна проблема. Розробка нових антибіотиків дуже дорога, тоді як потенційний прибуток від них для фармацевтичних компаній порівняно невеликий.

Витрати на створення нового препарату, його випробування та вихід на ринок можуть сягати мільярдів доларів.

Тому фармкомпанії не надто охоче інвестують у цей напрям. Водночас досвід пандемії COVID-19 показав, що в критичній ситуації за належної концентрації ресурсів шлях від наукової розробки до практичного застосування можна суттєво прискорити. Тому стратегічно важливо мати в запасі кілька перспективних кандидатів на нові антибіотики.

− Ще під час пандемії у вашому Інституті розробили прототип вакцини проти COVID-19. Чому її так не запустили на ринок?

− Ми створили прототип пероральної вакцини на основі дріжджів Komagataella phaffii. Використали фрагмент білка шипа вірусу SARS-CoV-2, який відповідає за зв’язування з клітинами людини, вивели його на поверхню дріжджової клітини. Тобто дріжджі самі виробляють білок-антиген і розміщують його на поверхні власної клітини.

Після інактивації дріжджів шляхом прогрівання препарат готовий до перорального застосування. Виробництво цієї вакцини відносно легко масштабувати, а її зберігання та транспортування не потребують особливих умов, як, наприклад, у випадку РНК-вакцин.

Прототип вакцини протестували на мишах. Результати показали, що сироватка крові імунізованих тварин містила підвищені титри антитіл, які демонстрували високу нейтралізувальну активність − 93%.

Однак під час переходу від прототипу до реального продукту відсіюють приблизно 95% розробок. Випробування кожної з них потребує значних коштів, причому позитивний результат не гарантований.

Наш проєкт завершився наприкінці 2021-го. На той час уже з'явилася низка схвалених вакцин, які довели свою ефективність і почали застосовуватися в Україні.

Тому масштабувати виробництво нашої вакцини та переходити до подальших доклінічних і клінічних досліджень, що потребували б значних коштів за невизначеного результату, на той момент було недоцільно. Однак ця розробка захищена європейським патентом.

− Чи можуть ваші дослідження стати основою для створення в Україні власних вакцин проти інших хвороб?

− Теоретично це можливо, але на практиці реалізувати таку розробку в Україні дуже складно. За роки незалежності Україна не вивела на ринок жодної самостійно розробленої вакцини для людей.

Основна проблема − значні витрати на розробку, доклінічні та клінічні дослідження за відсутності гарантій позитивного результату. До того ж світовий ринок вакцин є дуже конкурентним.

Натомість значно реалістичнішим напрямом для наших розробок є ветеринарні вакцини. Потреба в них велика, а процедура розробки та реєстрації простіша, потребує менше часу й коштів. Крім того, тут є безпосередній економічний інтерес агробізнесу.

У ветеринарному секторі Україна вже має серйозних виробників, які успішно розробляють, реєструють і продають власні імунобіологічні препарати. Тому наші розробки могли б значно швидше знайти практичне застосування саме у ветеринарії.

− Чи досліджуєте ви процес старіння клітин і, теоретично, чи можна його зупинити?

− Старіння клітин є дуже складним процесом, у якому одночасно відбувається багато взаємопов’язаних змін. Теоретично можна сповільнити або частково усунути окремі його прояви, але повністю зупинити цей процес наразі неможливо.

Безпосередньо старіння клітин ми не досліджуємо, однак вивчаємо автофагію, яка тісно пов’язана з підтриманням нормального стану клітини та змінюється з віком.

За допомогою автофагії клітина розпізнає і розщеплює пошкоджені або непотрібні білки, органели та інші внутрішньоклітинні компоненти. Частину продуктів їх розщеплення клітина може використовувати повторно. Фактично це своєрідна система внутрішнього очищення і переробки.

У здорових клітинах ця система працює ефективно. З віком її ефективність може знижуватися, через що в клітинах накопичуються пошкоджені білки та органели. Це порушує клітинний гомеостаз і є одним із процесів, пов’язаних зі старінням.

Порушення контролю якості білків і накопичення неправильно згорнутих або агрегованих білків характерні також для низки нейродегенеративних захворювань, зокрема хвороб Альцгеймера й Паркінсона.

Ми досліджуємо механізми автофагії та вибіркової деградації цитозольних білків на моделі дріжджів. Ця робота має не лише фундаментальне, а й практичне значення.

Дріжджі широко використовують у біотехнології для виробництва різних білків, тому важливо розуміти, як саме клітина регулює деградацію білків, і шукати способи підвищення стабільності цільового продукту.

− Ваші колеги працюють над розробкою протипухлинних препаратів. Наскільки близько ці дослідження до практичного застосування?

− Один із напрямів наших досліджень − пошук нових малих молекул із протипухлинною активністю. Передусім це гетероциклічні сполуки, в яких поєднують кілька активних фрагментів. Такий підхід дає змогу отримувати сполуки з вищою протипухлинною активністю та вибірковістю дії.

Особливо перспективним є пошук сполук, які діють на конкретні молекулярні мішені в пухлинних клітинах. Наприклад, це можуть бути білки чи сигнальні шляхи, порушені через певні мутації.

Такий підхід дозволяє точніше впливати на пухлинні клітини, зменшуючи дію на здорові. Паралельно ми перевіряємо безпеку потенційних препаратів: чи не токсичні вони для здорових клітин і чи не пошкоджують ДНК.

Інший напрям, над яким в Інституті працюють уже багато років, − створення комбінованих методів так званої метаболічної протипухлинної терапії. Один із підходів ґрунтується на використанні ферментів, які розщеплюють амінокислоти.

Багато агресивних пухлин залежать від надходження певних амінокислот, зокрема аргініну, глутаміну та аспарагіну. Якщо обмежити їх доступність, можна пригнічувати ріст пухлинних клітин.

В Інституті створили власні мікробні продуценти рекомбінантних ферментів, здатних розщеплювати окремі амінокислоти. Також розробили низку комбінованих підходів до протипухлинної терапії, в яких такі ферменти поєднують з аналогами амінокислот рослинного походження та іншими сполуками, що впливають на метаболізм пухлинних клітин.

Ці підходи випробовують на лабораторних тваринах із пухлинами. Результати досліджень опубліковані в міжнародних наукових журналах, а найбільш перспективні розробки захищені патентами.

− Чому права на деякі наукові розробки належать закордонним партнерам?

− Міжнародна патентна охорона − це складний і фінансово затратний процес. Патент потрібно не лише отримати, а й підтримувати в різних країнах упродовж багатьох років. Для українських наукових установ, які працюють в умовах обмеженого фінансування, такі витрати часто є серйозним бар’єром.

Водночас наявність українського патенту не позбавляє розробку комерційного потенціалу.

Наукові установи можуть самостійно шукати міжнародних партнерів, укладати ліцензійні угоди та розвивати комерціалізацію своїх результатів.

Головне завдання, це створити ефективні механізми, які допомагатимуть ученим виходити на ринок, розуміти потреби бізнесу, знаходити зацікавлених партнерів і залучати ресурси для доведення розробки до продукту. Це дозволить українській науці не лише захищати результати досліджень, а й ефективніше перетворювати їх на продукти та послуги, потрібні ринку.

− Яка з ваших розробок має найбільші шанси дійти до практичного застосування найближчими роками?

− Працюємо над удосконаленням препаратів для знезараження та загоєння ран, а також над створенням сенсорів для виявлення вибухових речовин. Вважаємо, що сьогодні це одні з найбільш актуальних напрямів роботи нашого Інституту, особливо в умовах війни.

− Як повномасштабне вторгнення змінило роботу Інституту: чи вистачає науковців, обладнання та фінансування?

− Однією з найбільших проблем став відтік кадрів. Значно ускладнилася й експериментальна робота через перебої з електропостачанням, адже багато досліджень потребують безперервної роботи обладнання та дотримання певних умов.

Складнішим стало постачання реактивів і витратних матеріалів. Логістика нестабільна, терміни доставки збільшилися. Крім того, окремі іноземні компанії відмовляються постачати в Україну спеціалізовані реактиви через внутрішні обмеження на роботу з країнами, де тривають бойові дії.

Бюджетне фінансування не може повністю покрити витрати на сучасні експериментальні дослідження, закупівлю обладнання та реактивів. Тому важливими джерелами підтримки для нас є конкурсні наукові проєкти та міжнародні гранти.

Війна вплинула і на міжнародну наукову співпрацю. Іноземні колеги значно рідше приїжджають в Україну, тому проводити міжнародні конференції стало складніше. Ми продовжуємо їх організовувати, частина закордонних науковців долучається дистанційно.

Водночас особисте спілкування залишається дуже важливим для встановлення контактів і розвитку спільних досліджень. Можливості академічної мобільності наших науковців також суттєво обмежені.

Попри це, нам вдалося зберегти наукову активність Інституту, а за деякими показниками навіть посилити її. Зокрема, зросла кількість публікацій у рейтингових міжнародних журналах. Це важливо не лише як показник рівня досліджень, а й для участі в конкурсах наукових проєктів та залучення додаткового фінансування.

Продовжується і підготовка наукових кадрів. Від початку повномасштабної війни в Інституті захищено шість дисертацій на здобуття ступеня доктора філософії, зокрема двома іноземними аспірантами, а також одну дисертацію на здобуття ступеня доктора біологічних наук.

Тож, попри всі кадрові, фінансові та організаційні труднощі, Інститут продовжує повноцінно працювати і розвивати основні напрями досліджень.