Топливо из соломы и антибиотик из дрожжей: какие научные разработки готовят во Львове

Во Львове ученые ищут способы производить этанол из соломы и витамин B2 из непищевого сырья с помощью дрожжей. Также они создали штаммы дрожжей, которые продуцируют бактериальный антибиотик значительно эффективнее, чем его природные продуценты, и разрабатывают новые подходы к противоопухолевой терапии.

РБК-Украина в интервью с директором Института биологии клетки НАН Украины Константином Дмитруком расспросило о перспективах этих разработок и препятствиях, мешающих их внедрению.

− На каких главных исследованиях и разработках сейчас сфокусирован ваш Институт?

− Институт имеет четыре отдела, каждый из которых работает над своими направлениями. Около половины ученых работают с микроорганизмами – преимущественно дрожжами и бактериями, а остальные – с клеточными линиями, в том числе здоровыми и раковыми.

Отдел молекулярной генетики и биотехнологии занимается генетической инженерией дрожжей для получения биологически активных соединений. Это биотопливо, витамины, антибиотики и белки. Также исследователи изучают деградацию белков у дрожжей.

В отделе аналитической биотехнологии исследуют ферменты, перспективные для определения важных аналитов и создания биосенсоров. Еще одно направление – синтез нанозимов, то есть искусственных ферментов на основе наноматериалов.

Читайте также: "Ноосфера" начала новый антарктический сезон: какие исследования и проекты планируют ученые

В отделе регуляции пролиферации клеток и апоптоза исследуют противоопухолевую активность синтетических и природных соединений, а также разрабатывают системы доставки биологически активных веществ на основе наноматериалов. Кроме того, ученые создают новые материалы для регенеративной медицины.

В отделе сигнальных механизмов клетки разрабатывают подходы к лечению онкологических заболеваний, исследуют аминокислотные аналоги как противоопухолевые и противомикробные агенты. Также здесь получают моноклональные антитела к антигенам биотехнологического и медицинского значения.

− Одна из прогрессивных разработок Института – получение этанола из непищевого сырья, в частности соломы. Чем важна эта разработка?

− Она позволяет получать биотопливо из отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности. Главное преимущество заключается в использовании непродовольственного сырья, поэтому производство такого биотоплива не конкурирует за сырье с производством пищевых продуктов.

Получение этанола из соломы состоит из нескольких этапов. Сначала сырье измельчают, а затем подвергают предварительной обработке кислотами или щелочами, часто при повышенной температуре или давлении. Далее грибные ферменты расщепляют целлюлозу и гемицеллюлозу до простых сахаров, которые дрожжи превращают в этанол.

Для рентабельности процесса важно эффективно сбраживать не только глюкозу, но и ксилозу – сахар, содержащийся в гемицеллюлозе.

Мы используем дрожжи Ogataea polymorpha. В отличие от классических спиртовых дрожжей, они способны сбраживать не только глюкозу, но и ксилозу и проводить алкогольную ферментацию при температуре 45-48 градусов.

Благодаря такой термотолерантности можно сочетать ферментативный гидролиз растительного сырья, который происходит при повышенной температуре, с алкогольной ферментацией в одном технологическом процессе.

Однако естественная способность этих дрожжей сбраживать ксилозу была недостаточно эффективна. Мы усовершенствовали эти дрожжи и более чем в 30 раз повысили продукцию этанола из ксилозы. Для этого ввели соответствующие гены, изменили регуляцию экспрессии и модифицировали транспортер глюкозы, чтобы он эффективно переносил в клетку не только глюкозу, но и ксилозу.

− Поможет ли эта технология удешевить производство топлива и когда его можно будет применять на практике?

− Разработка еще требует значительной доработки и пока далека от промышленного использования.

Есть несколько нерешенных проблем. Одно из них – токсичные соединения, которые образуются при предварительной обработке сырья. Когда солому обрабатывают кислотами, высвобождаются вещества, подавляющие жизнедеятельность дрожжей.

Поэтому необходимо повысить устойчивость дрожжей к этим соединениям. Мы сейчас работаем над этим в рамках проекта при поддержке Национального фонда исследований Украины.

Также требуются пилотные установки, на которых можно будет проверить весь процесс производства: от подготовки сырья до получения этанола дистилляцией.

Этанол из соломы или опилок вряд ли будет дешевле того, который производят из сахара или крахмала. Ведь непищевое сырье нужно предварительно обрабатывать, а для высвобождения сахаров использовать дорогостоящие ферменты.

Главное преимущество этой технологии – возможность использовать для производства биотоплива непищевое сырье.

Сегодня этанол получают преимущественно из крахмалосодержащего сырья, в частности зерна кукурузы, пшеницы и других зерновых культур, а также из сахаросодержащего сырья, прежде всего сахарного тростника и сахарной свеклы.

Эти культуры используют и для пищевых нужд. Поэтому технология производства этанола из соломы или опилок особенно перспективна, поскольку позволяет избежать конкуренции за пищевое сырье.

− Дрожжи также могут помочь в производстве витамина B2. Это удешевит технологию?

− Витамин B2, или рибофлавин, производят в значительных объемах. Его широко используют в качестве кормовой добавки в животноводстве, как натуральный краситель в пищевой промышленности, а также в составе поливитаминных комплексов и диетических добавок.

В начале 2000-х годов химический синтез витамина B2 начал постепенно заменять микробной ферментацией, при которой витамин продуцируют микроорганизмы. Этот метод более дешевый, экологичный и энергоэффективный. Сегодня основными промышленными продуцентами витамина B2 являются бактерии и грибы.

Читайте также: Зеркальная жизнь: почему создание новых бактерий стало угрозой для Земли

Ранее для промышленного производства рибофлавина использовали также дрожжи Candida famata. Однако от этой технологии отказались из-за нестабильности штаммов-продуцентов, со временем терявших способность к высокой продукции витамина.

С применением методов генетической и метаболической инженерии нам удалось повысить продукцию рибофлавина этими дрожжами и стабильность полученных штаммов.

Для этого мы ввели дополнительные копии генов биосинтеза рибофлавина и изменили регуляцию этого процесса. Также усилили синтез предшественников рибофлавина и его секрецию из клетки.

− В чем преимущество дрожжей перед бактериями в производстве витамина B2?

− По производительности наши дрожжевые штаммы пока уступают бактериальным продуцентам. Однако важным преимуществом нашего подхода является возможность использовать более широкий круг субстратов, в частности дешевое непищевое сырье и побочные продукты других производств.

Мы показали возможность использования, в частности, гидролизатов багаса, то есть растительной массы, остающейся после извлечения сока из сахарного тростника, а также молочной сыворотки, являющейся побочным продуктом производства сыра.

Сыворотка содержит более 90% воды, поэтому ее транспортировка на значительные расстояния экономически невыгодна. С нее можно получать ценные белковые концентраты и лактозу, но такая переработка требует специального и дорогостоящего оборудования, поэтому доступна не каждому предприятию.

Поэтому сыворотку часто используют как дешевый корм для животных или утилизируют другими способами.

В то же время, сыворотка содержит лактозу, азотистые соединения и микроэлементы, которые могут быть субстратами для роста дрожжей и синтеза рибофлавина. Наши дрожжи способны использовать такую сыворотку для производства витамина B2.

Поэтому сочетание производства сыра с биотехнологическим получением рибофлавина непосредственно на предприятии могло одновременно решить проблему утилизации сыворотки и уменьшить затраты на сырье для производства витамина.

− В Институте также работают над созданием штаммов дрожжей, продуцирующих антибиотики. Значит ли это, что Украина сможет сама производить свои препараты?

− Создание штаммов дрожжей, продуцирующих антибиотик, является важным научным результатом, поскольку дрожжи обычно не являются продуцентами классических антибиотиков.

Нам удалось сконструировать штаммы, которые продуцируют аминорибофлавин, производное витамина B2 с антибактериальной активностью. Он действует против ряда бактерий, в частности, золотистого стафилококка, включая метициллинрезистентный Staphylococcus aureus (MRSA).

Эта технология пока остается на уровне лабораторного продуцента. Чтобы она стала основой для создания нового антибиотика и превратилась в готовый препарат, нужно пройти ряд сложных этапов. Прежде всего, необходимо повысить производительность штаммов и оптимизировать ферментацию для промышленного производства.

Также необходимо разработать технологии выделения и очищения этих антибиотических соединений до фармацевтического качества. В этом направлении у нас уже есть определенные наработки. Но гораздо более сложный и более дорогой этап – полный комплекс доклинических исследований.

Речь идет об исследованиях токсичности, фармакокинетики и эффективности на животных. Далее – клинические испытания на людях, а после них регистрация препарата и его внедрение в производство.

Все это требует большого времени и средств. В украинских условиях пройти путь от лабораторного штамма до зарегистрированного антибиотика реально только при серьезных инвестициях, государственной поддержке и международном сотрудничестве. Без этого технология может остаться на уровне перспективной научной платформы.

Есть и глобальная проблема. Разработка новых антибиотиков очень дорогая, тогда как потенциальная прибыль от них для фармацевтических компаний сравнительно невелика.

Расходы на создание нового препарата, его испытания и выход на рынок могут достигать миллиардов долларов.

Поэтому фармкомпании не очень охотно инвестируют в это направление. В то же время, опыт пандемии COVID-19 показал, что в критической ситуации при надлежащей концентрации ресурсов путь от научной разработки до практического применения можно существенно ускорить. Поэтому стратегически важно иметь в запасе несколько перспективных кандидатов на новые антибиотики.

− Еще во время пандемии в вашем Институте разработали прототип вакцины против COVID-19. Почему ее так не запустили на рынок?

− Мы создали прототип пероральной вакцины на основе дрожжей Komagataella phaffii. Использовавшийся фрагмент белка шипа вируса SARS-CoV-2, отвечающий за связывание с клетками человека, вывели его на поверхность дрожжевой клетки. То есть дрожжи сами производят белок-антиген и размещают его на поверхности собственной клетки.

После инактивации дрожжей путем прогревания препарат готов к пероральному применению. Производство этой вакцины относительно легко масштабировать, а ее хранение и транспортировка не требуют особых условий, например, в случае РНК-вакцин.

Прототип вакцины протестировали на мышах. Результаты показали, что сыворотка крови иммунизированных животных содержала повышенные титры антител, которые демонстрировали высокую нейтрализующую активность – 93%.

Однако при переходе от прототипа к реальному продукту отсеивают примерно 95% разработок. Испытание каждой из них требует больших средств, причем положительный результат не гарантирован.

Наш проект завершился в конце 2021-го. К тому времени уже появился ряд одобренных вакцин, которые доказали свою эффективность и стали применяться в Украине.

Поэтому масштабировать производство нашей вакцины и переходить к дальнейшим доклиническим и клиническим исследованиям, требующим значительных средств при неопределенном результате, на тот момент было нецелесообразно. Однако эта технология защищена европейским патентом.

− Могут ли ваши исследования стать основой для создания в Украине собственных вакцин против других болезней?

− Теоретически это возможно, но на практике реализовать такую разработку в Украине очень сложно. За годы независимости Украина не вывела на рынок ни одной самостоятельно разработанной вакцины для людей.

Основная проблема – значительные затраты на разработку, доклинические и клинические исследования при отсутствии гарантий положительного результата. К тому же мировой рынок вакцин очень конкурентен.

Вместо этого более реалистичным направлением для наших разработок являются ветеринарные вакцины. Потребность в них большая, а процедура разработки и регистрации проще требует меньше времени и средств. Кроме того, здесь есть непосредственный экономический интерес агробизнеса.

В ветеринарном секторе Украина уже имеет серьезных производителей, успешно разрабатывающих, регистрирующих и продающих собственные иммунобиологические препараты. Поэтому наши разработки могли бы гораздо быстрее найти практическое применение именно в ветеринарии.

− Исследуете ли вы процесс старения клеток и, теоретически, можно ли его остановить?

− Старение клеток является очень сложным процессом, в котором одновременно происходит много взаимосвязанных изменений. Теоретически можно замедлить или частично устранить отдельные его проявления, но полностью остановить этот процесс невозможно.

Непосредственно старение клеток мы не исследуем, однако изучаем автофагию, которая тесно связана с поддержанием нормального состояния клетки и меняется с возрастом.

При помощи автофагии клетка распознает и расщепляет поврежденные или ненужные белки, органоиды и другие внутриклеточные компоненты. Часть продуктов их расщепления клетка может использовать повторно. Фактически это своеобразная система внутренней очистки и переработки.

В здоровых клетках эта система работает эффективно. С возрастом ее эффективность может снижаться, поэтому в клетках накапливаются поврежденные белки и органоиды. Это нарушает клеточный гомеостаз и является одним из процессов, связанных со старением.

Нарушения контроля качества белков и накопления неправильно свернутых или агрегированных белков характерны также для ряда нейродегенеративных заболеваний, в частности, болезней Альцгеймера и Паркинсона.

Мы исследуем механизмы автофагии и деградации цитозольных белков на модели дрожжей. Эта работа имеет не только фундаментальное, но и практическое значение.

Дрожжи широко используют в биотехнологии для производства различных белков, поэтому важно понимать, как именно клетка регулирует деградацию белков и искать способы повышения стабильности целевого продукта.

− Ваши коллеги работают над разработкой противоопухолевых препаратов. Насколько близко эти исследования к практическому применению?

– Одно из направлений наших исследований – поиск новых малых молекул с противоопухолевой активностью. Прежде всего, это гетероциклические соединения, в которых сочетают несколько активных фрагментов. Такой подход позволяет получать соединения с более высокой опухолевой активностью и избирательностью действия.

Особенно перспективен поиск соединений, действующих на конкретные молекулярные мишени в опухолевых клетках. Например, это могут быть белки или сигнальные пути, затронутые определенными мутациями.

Такой подход позволяет более точно влиять на опухолевые клетки, уменьшая действие на здоровые. Параллельно мы проверяем безопасность потенциальных препаратов: не токсичны ли они для здоровых клеток и не повреждают ли ДНК.

Другое направление, над которым в Институте работают уже много лет, – создание комбинированных методов так называемой метаболической противоопухолевой терапии. Один из подходов основан на использовании ферментов, которые расщепляют аминокислоты.

Многие агрессивные опухоли зависят от поступления определенных аминокислот, в частности аргинина, глутамина и аспарагина. Если ограничить их доступность, можно подавлять рост опухолевых клеток.

В институте создали собственные микробные продуценты рекомбинантных ферментов, способных расщеплять отдельные аминокислоты.

Также разработан ряд комбинированных подходов к противоопухолевой терапии, в которых такие ферменты сочетают с аналогами аминокислот растительного происхождения и другими соединениями, влияющими на метаболизм опухолевых клеток.

Эти подходы испытывают на лабораторных животных с опухолями. Результаты исследований опубликованы в международных научных журналах, а наиболее перспективные разработки защищены патентами.

− Почему права на некоторые научные разработки принадлежат зарубежным партнерам?

– Международная патентная охрана – это сложный и финансово затратный процесс. Патент нужно не только получить, но и поддерживать в разных странах на протяжении многих лет. Для украинских научных учреждений, работающих в условиях ограниченного финансирования, такие расходы часто являются серьезным барьером.

В то же время, наличие украинского патента не лишает разработку коммерческого потенциала.

Научные учреждения могут самостоятельно искать международных партнеров, заключать лицензионные соглашения и развивать коммерциализацию своих результатов.

Главная задача – создать эффективные механизмы, которые будут помогать ученым выходить на рынок, понимать потребности бизнеса, находить заинтересованных партнеров и привлекать ресурсы для доведения разработки до продукта. Это позволит украинской науке не только защищать результаты исследований, но и более эффективно превращать их в продукты и услуги, необходимые рынку.

− Какая из ваших разработок имеет наибольшие шансы дойти до практического применения в ближайшие годы?

− Работаем над усовершенствованием препаратов для обеззараживания и заживления ран, а также над созданием сенсоров для обнаружения взрывчатых веществ. Считаем, что сегодня это одно из наиболее актуальных направлений работы нашего Института, особенно в условиях войны.

− Как полномасштабное вторжение изменило работу Института: хватает ли научных работников, оборудования и финансирования?

− Одной из самых больших проблем стал отток кадров. Значительно усложнилась и экспериментальная работа из-за перебоев с электроснабжением, ведь многие исследования нуждаются в непрерывной работе оборудования и соблюдении определенных условий.

Сложнее стали поставки реактивов и расходных материалов. Логистика нестабильна, сроки доставки увеличились. Кроме того, отдельные иностранные компании отказываются поставлять в Украину специализированные реактивы из-за внутренних ограничений на работу со странами, где продолжаются боевые действия.

Бюджетное финансирование не может полностью возместить расходы на современные экспериментальные исследования, закупку оборудования и реактивов. Поэтому важными источниками поддержки для нас конкурсные научные проекты и международные гранты.

Война повлияла и на международное научное сотрудничество. Иностранные коллеги гораздо реже приезжают в Украину, поэтому проводить международные конференции стало сложнее. Мы продолжаем их организовывать, часть зарубежных ученых присоединяется дистанционно.

В то же время, личное общение остается очень важным для установления контактов и развития совместных исследований. Возможности академической мобильности наших ученых существенно ограничены.

Несмотря на это, нам удалось сохранить научную активность Института, а по некоторым показателям даже усилить ее. В частности, выросло количество публикаций в рейтинговых международных журналах. Это важно не только как показатель уровня исследований, но и для участия в конкурсах научных проектов и привлечения дополнительного финансирования.

Продолжается и подготовка научных кадров. С начала полномасштабной войны в Институте защищены шесть диссертаций на соискание степени доктора философии, в том числе двумя иностранными аспирантами, а также одну диссертацию на соискание степени доктора биологических наук.

Итак, несмотря на все кадровые, финансовые и организационные трудности, Институт продолжает полноценно работать и развивать основные направления исследований.