Генетика на службе экологии

Как известно, во многих тропических и субтропических странах мира колоссальный ущерб экономике наносят термиты. Они пожирают всё деревянное без разбора, будь то сараи или жилые здания, телеграфные столбы или шпалы, ограды или заборы. На то, чтобы практически полностью уничтожить деревянный дом вместе с мебелью, этим прожорливым насекомым достаточно нескольких месяцев. Однако недавно американские учёные обнаружили, что человек вполне мог бы использовать термитов и с выгодой для себя. В журнале «Nature» исследователи пишут, что весьма значительный экономический потенциал кроется в кишечнике этих насекомых: там обитают тысячи микроорганизмов, способных эффективно перерабатывать древесину в биотопливо. Учёных уже давно интересует удивительная способность термитов переваривать то, что переварить почти невозможно. Долгое время исследователи вообще не могли понять, каким образом термиты, питаясь одной лишь древесиной, умудряются усваивать её так, что она вполне удовлетворяет энергетические потребности этих весьма активных насекомых. Более или менее ясно было лишь то, что в процессе расщепления древесины участвуют десятки различных ферментов, большая часть которых выделяются кишечной микрофлорой термитов – в большинстве своём неизученными симбиотическими простейшими. Чтобы выяснить, что это за микроорганизмы и в каких конкретно биохимических процессах участвуют синтезируемые ими ферменты, группа сотрудников Калифорнийского технологического института в Пасадене во главе с профессором микробиологии Джаредом Ледбеттером (Jared R. Leadbetter) провела генетические исследования кишечной микрофлоры привезённых из Коста-Рики термитов рода Nasutitermes. Профессор Ледбеттер говорит:

Если изолировать достаточное количество наследственного материала из этих микроорганизмов, то можно определить, какие гены из каких бактерий выполняют те или иные функции в кишечнике термитов. Мы хотели выяснить, принимают ли микроорганизмы участие в расщеплении и усвоении древесины и если да, то в какой степени. И нам действительно удалось обнаружить эти гены. Как оказалось, сразу множество наследственных факторов оказывают весьма существенное воздействие на процесс, в ходе которого ферменты в соединении с водой расщепляют древесину на определённые сахара.

Исследователи провели так называемый метагеномный анализ кишечной микрофлоры термитов. Он состоит в полном секвенировании всей имеющейся там ДНК. Нас интересовали гены, так или иначе участвующие в расщеплении древесины, – говорит профессор Ледбеттер:

Древесина является одним из важнейших природных композиционных материалов. Её основные компоненты – полисахариды, высокомолекулярные соединения из класса углеводов. Один из этих полисахаридов всем хорошо известен – это целлюлоза, клетчатка, она используется как сырьё для производстве бумаги. Другие полисахариды, входящие в состав древесины, не получили столь широкой известности. Но главный вопрос состоял в том, как эти полисахариды расщепляются до моносахаридов.

Ответ на этот вопрос важен не только для фундаментальных исследований. Ведь расщепление полисахаридов является основной предпосылкой для дальнейшей переработки древесины – в частности, производства из неё биотоплива. Значит, генетический анализ микрофлоры кишечника термита может помочь в создании современных высокоэффективных биореакторов. Пока профессору Ледбеттеру и его коллегам удалось изучить лишь 10-15 процентов всего многообразия микроорганизмов, обитающих в кишечнике термитов, но уже и этого вполне хватило для понимания ключевых принципов извлечения термитами энергии из древесины. Однако этим дело не исчерпывается, – говорит профессор Ледбеттер:

Я думаю, тут следует отметить целый ряд весьма неожиданных результатов этого исследования. С одной стороны, никто, конечно, не предполагал, что к расщеплению древесины и трансформации сахаров так или иначе причастны более тысячи генов. А с другой стороны, нас удивило, что одна определённая группа бактерий – так называемые спирохеты – играет ключевую роль в процессе гидролиза полисахаридов.

До сих пор учёные спирохет в расчёт не принимали – по крайней мере, в этом контексте. Многие представители этой группы бактерий более известны как патогены – возбудители сифилиса, возвратного тифа и ряда других тяжёлых заболеваний. Однако некоторые другие виды спирохет, как теперь оказалось, участвуют в расщеплении древесины в кишечнике термитов. Причём этот природный миниатюрный биореактор столь эффективен, что теоретически способен из одного стандартного листа писчей бумаги получить 2 литра водорода. Пока, правда, до практической реализации добытых знаний ещё далеко, но исследования продолжаются. Учёные надеются, что им удастся выделить новые микроорганизмы, которые можно будет использовать в промышленных биореакторах. Профессор Ледбеттер говорит:

Пока нам удалось получить лишь первые и, возможно, довольно поверхностные представления о том, какие процессы на самом деле протекают в кишечнике у термитов. Всё дело в том, что кишечник этих насекомых имеет несколько отделов, а мы пока смогли изучить микрофлору лишь одного из них. Так что вполне возможно, что в других отделах нас ждут новые неожиданности и сюрпризы.

Экологический баланс производимого сегодня биотоплива оставляет желать лучшего, и это ещё мягко сказано: многочисленные исследования показывают, что возделывание рапса, кукурузы, картофеля или масличных пальм связано, как правило, с выделением в атмосферу гораздо большего количества парниковых газов, чем удаётся сэкономить за счёт использования полученного из них биогорючего. А ведь ещё совсем недавно биотопливо считалось чуть ли не панацеей от глобального изменения климата. Однако сегодня уже ясно, что положительный экологический баланс может быть достигнут лишь в том случае, если для производства биогорючего использовать только отходы лесного и сельского хозяйства – солому, ботву, стебли, ветви и так далее. Профессор Эккард Болес (Eckhard Boles), микробиолог Университета имени Гёте во Франкфурте-на-Майне, говорит:

Сегодня очень многие отходы пропадают, потому что не находят применения. Понятно, что это – колоссальный сырьевой потенциал, который буквально напрашивается, чтобы из него сделали биотопливо. Проблема лишь в том, что эту биомассу необходимо измельчить и осахарить, то есть гидролизовать.

А эта задача пока плохо поддаётся решению. Возможно, ситуация кардинально изменится к лучшему, когда профессор Ледбеттер и его коллеги доведут до успешного завершения свои исследования кишечной микрофлоры термитов. Пока же для расщепления древесины принято использовать дрожжевые культуры. Однако у них есть один существенный недостаток, – говорит профессор Болес:

Дрожжи способны расщеплять, главным образом, лишь виноградный сахар, то есть глюкозу, а перед многими другими сахарами они бессильны. Ну, например, перед пентозами – пятиуглеродными сахарами. Дрожжи их расщепить не могут, а значит, до 30-ти процентов биомассы не находит применения и просто пропадает.

К счастью, способностью расщеплять пентозы обладают некоторые бактерии – они синтезируют ферменты, успешно справляющиеся с этой задачей. Однако само по себе это ещё не решение проблемы, поскольку конечный продукт этой реакции – вовсе не этанол, а ведь именно он является моторным биотопливом, пригодным для широкого применения. Этанол производят дрожжи, но они, как уже было сказано, не справляются с расщеплением многих компонентов древесины. Поэтому учёные попытались перенести гены, кодирующие соответствующие ферменты, из бактерий в дрожжи, однако ожидаемого успеха это не дало. И тогда профессор Болес решил изменить подход и выступить в роли своего рода переводчика. Да, гены в бактериях способны кодировать нужные ферменты, но дрожжи плохо понимают их язык. На первый взгляд, это может показаться странным, ведь генетический код в принципе универсален. Однако в природе имеются, образно говоря, различные диалекты. Профессор Болес поясняет:

С помощью компьютера мы как бы перевели эти бактериальные гены на другой диалект, преобразовали их в форму, наиболее приемлемую для дрожжей. Мы не позаимствовали гены у бактерий, а спроектировали их в компьютере. Затем мы обратились в одну из биотехнологических компаний с просьбой искусственно синтезировать эти гены, сегодня такое уже возможно. А потом мы внедрили эти искусственно полученные гены в геном дрожжей. И это сразу же позволило добиться колоссального прогресса.

Дрожжи, геном которых содержит искусственно синтезированные гены, обрели способность практически полностью расщеплять до этанола и пятиуглеродные полисахариды. В результате из того же самого количества биомассы удаётся получать на четверть больше биогорючего, чем прежде. Правда, эти показатели получены на лабораторных установках. Теперь профессор Болес и его коллеги усиленно работают над тем, чтобы адаптировать созданную ими технологию к требованиям промышленного производства. Ведь успех или неуспех зависит, прежде всего, от цены на конечный продукт. Расчёты показывают, что метод профессора Болеса позволит получать этанол из древесных отходов по цене 60 центов за литр – это дешевле, чем продукция, полученная конкурирующими методами вроде «BTL – Biomass To Liquid». Однако цель профессора Болеса – добиться цены менее 20-ти центов за литр. Именно столько стоит сегодня биотопливо, полученное из бразильского сахарного тростника. Правда, тут нельзя не сказать об опасениях некоторых экспертов, что эти генетически модифицированные дрожжи могут попасть в бензобак и таким образом нанести непоправимый ущерб окружающей среде. Однако профессор Болес считает эти опасения совершенно необоснованными:

Ферментация осуществляется в герметически закрытых биореакторах. Затем жизнедеятельность этих трансгенных дрожжей полностью подавляется, так что мы не видим ни малейших проблем в сфере экологической безопасности.

Более того, профессор Болес подчёркивает, что его метод позволит создать трансгенные дрожжи, способные перерабатывать целлюлозу в горючее с более высоким чем у этанола октановым числом и даже в сырьё для производства биопластмасс.

Впрочем, производители пластмасс используют древесину уже сегодня – правда, несколько иначе. Они разработали новый материал, именуемый аббревиатурой «WPC», что означает «Wood Plastic Composite», то есть «древесно-полимерный композит». Немецкий физик Михаэль Карус (Michael Karus), научный сотрудник института «Nova» в Хюрте близ Кёльна, демонстрирует садовую мебель, выполненную из блестящего тёмно-коричневого материала, на первый взгляд ничем не отличающегося от обычно используемой для таких целей пластмассы. Но это лишь на первый взгляд, – подчёркивает Михаэль Карус:

Если присмотреться повнимательнее, то можно заметить мелкие крапинки в толще материала. Если бы это была чистая пластмасса, обычный полимер, то поверхность была бы совершенно гомогенной, цвет был бы абсолютно ровным. А так, приглядевшись, мы видим эти мельчайшие древесные волокна. С одной стороны, они служат наполнителем и упрочняют материал, с другой стороны, создают необычный оптический эффект, что может быть очень интересно с точки зрения дизайна.

Производство древесно-полимерных композиционных материалов началось всего несколько лет назад в США – после того, как в 2003-м году там по соображениям экологического характера был введён запрет на пропитку древесины для окон, дверей и террас мышьяковистыми защитными средствами. Фирмы-производители стройматериалов были вынуждены взяться за поиски альтернативы. И нашли её, соединив природный и искусственный продукты в один композиционный материал. Он долговечнее древесины, в том числе даже импрегнированной, и дешевле чистой пластмассы. А технология производства практически полностью позаимствована у полимерной отрасли. Михаэль Карус поясняет:

Здесь используют так называемые экструдеры, в которые подаются и полимерная масса, и древесные опилки, и специальные усилители сцепления – это химикаты, оптимизирующие соединение древесины с полимером, они составляют 2-4 процента от общей массы смеси. Экструдер – это машина, предназначенная для размягчения полимерных материалов и придания им нужной формы. Рабочий орган экструдера – вращающийся червяк – перемешивает полимерно-древесную массу и продавливает её через специальную головку с профилирующим каналом. Полученные в результате мелкие гранулы или шарики используются в качестве исходного сырья – например, для производства мебели. Гранулят снова подаётся в экструдер или в литьевой пресс, плавится и формуется. При этом находят применение стандартные технологии, давно принятые в полимерной отрасли.

Правда, комбинировать с древесиной можно лишь те пластмассы, формование которых не требует нагрева выше 200-т градусов: более высокую температуру древесные опилки не выдерживают. А доля древесины в композиционном материале зависит от технологии его производства. Так, экструдер позволяет получать ровную ленту твердеющей массы, от которой можно отрезать доски или панели. Такая технология допускает более высокую долю древесины в материале. А для производства изделий сложной формы используется метод литья под давлением, и тут доля опилок должна быть ниже. Но и параметры самого древесного сырья тоже имеют значение, – говорит Михаэль Карус:

Самое излюбленное сырьё – это опилки, действительно получаемые при распиловке брёвен и досок, потому что эти опилки имеют оптимальные размеры. Можно использовать, конечно, и стружку, но она нуждается в дальнейшем измельчении.

Впрочем, судьба нового материала пока неясна. До недавнего времени опилки были никому не нужными отходами, и проблем с сырьём не возникало. Но с тех пор, как из опилок стали прессовать топливные брикеты, ситуация изменилась, – сетует Михаэль Карус:

Во всей деревообрабатывающей промышленности наблюдается быстрый рост цен, связанный с подорожанием энергоносителей. И нас это очень тревожит.