Фотосинтез как промышленная технология

Изопрен - ненасыщенный углеводород, молекула которого состоит из 5 атомов углерода и 8 атомов водорода, - является весьма ценным химическим сырьем. Он используется в производстве изопреновых каучуков и бутилкаучука, некоторых видов клея, душистых веществ и лекарственных препаратов. В природе изопрен синтезируется некоторыми живыми организмами - прежде всего, растениями. В промышленности его получают тремя различными методами, но проблема в том, что исходным сырьем неизменно служат те или иные нефтепродукты. Нет ничего удивительного в том, что безудержный рост цен на нефть и конечность запасов самого этого ресурса вынуждают исследователей искать альтернативы.

Одноклеточные водоросли вместо тополей и дубов

В частности, группа американских ученых пытается разработать технологию промышленного получения изопрена, опирающуюся на тот самый фотосинтез, посредством которого растения производят его в природе из углекислого газа и воды под воздействием солнечного света. Однако растения синтезируют, как известно, весьма широкий спектр органических соединений, и доля изопрена в нем, как правило, невелика. Поэтому объектом научного интереса Тасиоса Мелиса (Tasios Melis), профессора биологии Калифорнийского университета в Беркли, стали не деревья и кустарники - основные производители изопрена в природе, а чрезвычайно мелкие растения - одноклеточные зеленые водоросли и цианобактерии.

Ученый поясняет: "Мы пытались понять, что предопределяет в субстрате, в каком направлении пойдет фотосинтез. Ведь, скажем, усвоенная из воздуха микроводорослью молекула углекислого газа может быть использована для производства сахара, или крахмала, или целлюлозы, а может стать частью того каскада биохимических реакций, что приводит к образованию терпеноидов - обширного класса органических соединений, основной структурной единицей которых как раз и является интересующий нас изопрен".

В нормальных условиях изопрен представляет собой бесцветную подвижную легколетучую жидкость с характерным запахом. То, что температура кипения изопрена составляет всего 34 градуса Цельсия, и то, что он нерастворим в воде, - существенно облегчает задачу, говорит Тасиос Мелис: "Если изопрен синтезируется клеточной культурой, то он в виде газа просто улетучивается из субстрата. То есть изолировать и собрать выделяемый микроводорослями изопрен не составляет большого труда".

Природный ген не годился, пришлось создать искусственный

Все вроде бы просто, да только в природе ни одноклеточные зеленые водоросли, ни цианобактерии не синтезируют изопрен. Однако все необходимые для этого механизмы в них заложены. Тасиос Мелис поясняет: "Каждый живой организм способен синтезировать терпеноиды в своих клетках. Это касается и животных, включая человека, и растений, включая микроводоросли. И этот биохимический механизм на самом деле используется для синтеза множества жизненно важных субстанций: у растений это, например, каротиноиды или хлорофилл, у человека - холестерин. Однако лишь очень немногие организмы производят и выделяют в окружающую среду сколько-нибудь значительное количество изопрена".

К этим немногим относятся, например, тополя и дубы - считается, что таким образом они защищаются от теплового стресса. Поэтому Тасиос Мелис начал с того, что внедрил в геном цианобактерии ген, позаимствованный у тополя: там он кодирует фермент, необходимый для синтеза изопрена. Однако оказалось, что цианобактерия неспособна прочитать этот ген, а значит, и синтезировать на его основе нужный белок. Калифорнийским ученым пришлось изменить подход: они трансформировали тополиный ген так, чтобы микроводоросль могла его расшифровать, и синтезировали его искусственно.

Это была очень трудоемкая задача, но она дала желаемый результат. Впрочем, не совсем. "Мы измерили, какая часть углекислого газа, усваиваемого микроводорослями, идет на синтез изопрена, - говорит Тасиос Мелис, - и оказалось, что она составляет всего 0,1 процента. То есть из 1000 атомов углерода лишь один попадает в молекулу изопрена, а остальные 999 идут в биомассу".

До заветной цифры в 20 процентов осталось совсем немного...

Конечно, ученых порадовало, что их метод в принципе заработал, но чрезвычайно низкая эффективность предложенного процесса делала его совершенно непригодным для применения в промышленности. Однако с тех пор прошло три года, и за эго время исследователям удалось не только повысить активность тополиного гена, но и внедрить в цианобактерии еще пять генов, кодирующих соответствующие ферменты. "Сегодня эффективность этого процесса составляет 15-18 процентов, - говорит Мелис. - А инженеры утверждают, что технология может считаться рентабельной, если ее эффективность достигает 20 процентов. То есть мы уже почти у цели".

Работу ученых из Беркли высоко оценивает их коллега из Сан-Диего Стивен Мейфилд (Stephen Mayfield), директор Центра водорослевых биотехнологий: "Это исследование демонстрирует, какой колоссальный потенциал кроется в биологическом фотосинтезе как методе производства тех или иных веществ. Речь тут может идти о многих сотнях субстанций. Работа Мелиса - особенно впечатляющий пример, поскольку он получает так чистый изопрен. Кстати, я решительно против того, чтобы столь ценные продукты использовались в качестве топлива, хотя это, конечно, возможно. Сжигать надо более простые вещества, скажем, липиды, которые мы также можем получать с помощью зеленых водорослей и цианобактерий".