Недавно в португальском туристическом городке Томар состоялась конференция, посвященная международной экономической безопасности, — «Биоэнергия: от концепции до коммерческих процессов». В ней приняли участие представители 34 стран. В своих выступлениях ученые рассказали о том, каким образом можно превратить те приблизительно 200 млрд. тонн сухого вещества, которое за год создается растениями на планете, в топливо, способное заменить нефть, уголь, газ, ядерную энергию. Если будет найден надежный и недорогой способ такой конверсии, это в значительной степени избавит человечество от энергетических проблем.
В Томар были приглашены только те ученые, достижения которых позволят в обозримой перспективе приблизиться к решению этой задачи. Немаловажно, что единственным докладчиком от Украины и вообще от Центральной и Восточной Европы был директор Института биологии клетки Национальной академии наук Андрей Сибирный. Научные достижения руководимого им научного учреждения сегодня привлекают внимание не только коллег во всем мире, но и американских биотехнологических фирм. США поставили перед собой цель — как можно быстрее ликвидировать зависимость от постоянно дорожающих нефти и газа, а соответственно, и от капризов их поставщиков. Именно поэтому не только фирмы, но и министерство сельского хозяйства этой страны щедро финансирует такие исследования, связывая с ними большие надежды.
К сведению: АПК нашего государства проявляет полное равнодушие к подобным украинским разработкам...
Чтобы далеко видеть, нужно стоять на плечах гигантов
Институт биологии клетки НАНУ (Львов) — самое молодое академическое учреждение биологического профиля. По нашим меркам, институт небольшой — в нем работают 104 человека, включая уборщиц и вахтеров. Впрочем, для Запада — это крупное научное учреждение. Там ученые редко объединяются, как у нас, в многотысячные коллективы. К примеру, в Швейцарии в аналогичном институте работают 40 человек. Тем не менее, в нем выросло два нобелевских лауреата. В науке большие числа не всегда сопутствуют высоким достижениям.
Львовяне добились серьезных результатов и сотрудничают с учеными Швеции, Великобритании, США. Оказалось, что изучение фундаментальных проблем биологии позволяет подойти с неожиданной стороны и к утилитарным проблемам энергетики. Директор института Андрей Сибирный не делает секрета из того, как провинциальный институт пробился в мировую научную элиту: «Мой шеф — выдающийся украинский микробиолог, профессор Георгий Шавловский, закончил аспирантуру в Москве во всемирно известном Институте микробиологии — очень важно иметь такого предшественника. Нам повезло, так как научный руководитель поставил высокую планку и следил, чтобы мы ее во Львове не опускали».
Андрей Андреевич рассказал, что у научной периферии свои особенности — здесь ученые практически никогда не имели достойного финансирования, потому что Москва большую часть средств на науку оставляла себе, немного доставалось Киеву и во Львов уже не приходило почти ничего. Поэтому провинциалы привыкли ездить с протянутой рукой в Пущино под Москвой со стандартной фразой: «Извините, что я к вам обращаюсь, но мы люди не местные»… Там им выделяли с барского плеча какие-то реактивы для опытов. Неизбалованность научила выживать.
Однако теперь, когда к львовянам приезжают коллеги из Москвы, недавние провинциалы выглядят рядом совсем неплохо. Львовские ученые за годы независимости установили широкие контакты в научном мире, имеют договора с лучшими мировыми фирмами. Это позволяет быть на острие мировой науки и даже иметь при этом вполне достойное лабораторное оборудование, реактивы и, как следствие, получать серьезные научные результаты. У Андрея Андреевича в прошлом году вышло восемь статей, в основном, в международных журналах. За последние десять лет его импакт-фактор вырос до 65. Кроме того, получены патенты: японский, корейский, американский и европейский.
«В начале научной карьеры, — вспоминает А.Сибирный, — представить себе не мог, что меня по Интернету найдет солидная фирма, и я поеду в США с женой и дочерьми, где буду работать, не чувствуя при этом никакой дискриминации. Там у меня была нормальная зарплата, квартира и все остальное. Видимо, благополучие помогло быстрее понять, что надо вернуться домой, потому что я, как и большинство людей, лучше чувствую себя здесь. Я заключил с американской фирмой контракт о разработке методов генетической инженерии для продуцента витамина В2 с тем, чтобы работать над этой проблемой во Львове. Ранее витамин был получен с помощью классической селекции, а над новейшими методами нужно было еще потрудиться. Вот за эту задачу мы и взялись. Жизнь в общем завертелась.
На американцах мы не зацикливаемся — немалую пользу приносит сотрудничество с европейскими, особенно польскими, учеными. Сегодня в Польше чувствуется темп и стиль работы Западной Европы. Так, когда-то мы заказывали праймеры ДНК через Москву и ждали по полгода, пока их приготовят. Затем, дабы ускорить работу, начали заказывать их в Чикаго — американцы готовили их за недели. Теперь заказываем в Варшаве — через три дня они уже у нас в лаборатории.
Три человека в 2003 году получили Нобелевскую премию (два из Израиля и один из Штатов) за открытие примитивного механизма деградации белков. Во Львове изучают более сложный механизм распада белков — их взаимодействие между собой во время деградации клетки. Одна из причин рака печени — нарушение этого процесса. В Институте биологии клетки занялись и метаболической инженерией — начали создавать организмы, синтезирующие то, что им поручат исследователи. Работа генетика, — не без иронии замечает Андрей Сибирный, — сродни труду слесаря-сантехника, который, зная, куда идут потоки, может своевременно перекрыть трубу или, наоборот, открыть нужный вентиль, вставить какой-нибудь переходник... Так и мы — находим узкое место, что-то отсекаем. Бывает, у какой-то амебы ген работает намного лучше, чем у наших образцов. Что ж — вытягиваем нужный ген и вставляем его в необходимый участок. Таким образом мы создаем то, о чем природа не позаботилась. Сейчас сосредоточили усилия на получении топливного биоэтанола».
В США ежегодно увеличивают производство этанола из кукурузного крахмала почти на 18 процентов. Исследуется целесообразность использования для этого в качестве сырья пшеницы, ржи, ячменя. Уже построено 75 заводов по выпуску этанола из крахмала. Еще 14 строится. Президент Буш часто в обращениях к нации подчеркивает важность развития этого направления, особенно необходимость (в связи с подорожанием пищевого сырья) перехода на изготовление биотоплива из отходов. Подсчитано: если бы в США переработать на спирт отходы целлюлозно-бумажных комбинатов, отходы деревообработки, сельского хозяйства, то потребность в бензине уменьшилась бы на 70 процентов.
Страны ЕС уже разработали план, по которому к 2010 году бензин в европейских странах должен содержать не менее 5,75 процента этанола!
Еще один мировой лидер в этом деле — Бразилия. Здесь биоэтанол производят в основном из сахара. Им уже удалось заменить 30 процентов бензина на этанол. Это позволило сэкономить на импорте нефтепродуктов около 100 млрд. долларов и даже превратиться из импортера нефти в ее экспортера. Чем не пример для нас?
Лет десять назад, как рассказал академик Валерий Кухарь, в Украине рассматривался вопрос перевода половины спиртоводочных заводов на производство этанола для использования в качестве автомобильного топлива. Реализации проекта помешало несколько причин. Одна из них — опасение, что некоторые водители вместо того, чтобы заправлять этанолом автомобили, будут его пить. Кстати, с такой же проблемой столкнулись и в Бразилии. Однако это не помешало им реализовать проект. В связи с этим интересно сравнить, на что в разных странах идет спирт: в среднем 15 процентов — на приготовление спиртных напитков, еще 15 используется в химической и лакокрасочной промышленности, а 70 процентов добавляется к топливу. В то же время у нас в стране обратная статистика — 70 процентов спирта идет на производство спиртных напитков!
В любой украинской семье знают главный технологический секрет ХХI века. Однако…
Создатель массового автомобиля Генри Форд свои первые двигатели сделал в расчете на этанол, получаемый из кукурузы. Но вскоре дешевая нефть и бензин вытеснили его, и моторы для авто пришлось переделать. Ныне интерес к этанолу возвращается. Уже очевидно, что из отходов можно получить такое количество спирта, что полностью отпадет необходимость в нефти для двигателей внутреннего сгорания. Если же потребность в топливе будет расти, можно высадить плантации растений, быстро наращивающих биомассу. Ясно, когда нефть закончится, выход у землян есть. Обнадеживает и то, что в этом отношении перспективы превращения Украины в новый Кувейт в будущем весьма велики.
Правда, пока у нынешней технологии есть серьезный недостаток — расщепление целлюлозы в биомассе производится с помощью серной кислоты. Это дорого и экологически опасно — возникает много побочных продуктов, которые токсичны и, кроме того, тормозят ферментацию спирта. Вот над тем, как выбраться из заколдованного круга, и работают сегодня ученые. Выбор у них не очень большой — в природе есть только два вида организмов, продуцирующих спирт и переносящих его высокие концентрации: дрожжи-сахаромицеты (знакомые каждому, кому приходилось гнать самогон) и бактерии, которые индейцы в Мексике используют для получения водки из агавы — пульке. И все!
Классическая технология получения спирта из биомассы такова: сначала солому, древесные опилки, органический мусор нужно прогидролизовать. Сухая биомасса главным образом разлагается на целлюлозу — полимеры сахаров, которые расщепляются целлюлазой до глюкозы. Такой гидролиз называется сахарификацией. При накоплении некоторого количества глюкозы дальнейший гидролиз осуществляться не будет. Эту глюкозу нужно забирать оттуда. А для создания высокоэффективной технологии нужно объединить процесс сахарификации, или гидролиз, и последующую алкогольную ферментацию в одной емкости.
И здесь есть два момента — ферменты, которые гидролизуют, имеют оптимум работы при 50 градусах, а микробы, дрожжи, которые превращают все это в спирт, оптимально работают при температуре около 30 градусов. Значит, эти два процесса в одной емкости пока совмещать нельзя. То есть реакция известна, но гидролиз, как и прежде, проводят с помощью кислоты. Потом нейтрализуют, добавляют дрожжи.
Далее уже нет никаких проблем с ферментацией глюкозы. Этот процесс прекрасно проводят почти в любом украинском доме — ферментируют глюкозу до самогона без каких-либо осложнений. При получении спирта из биомассы в гидролизаторах образуется еще один сахар — ксилоза. Однако если глюкоза встречается в природе в свободном состоянии — в винограде, в различных фруктах — и поэтому очень много микробов научились ее потреблять, то ксилоза встречается лишь в связанном состоянии и крайне мало микробов могут ею питаться. А еще меньше могут из нее продуцировать спирт. Но стать рентабельным и составить конкуренцию бензину этанол сможет только в том случае, если он будет получен в результате процесса, когда микроорганизмы переработают все, что получено при ферментации. В крайнем случае, хотя бы глюкозу и ксилозу. Для этого необходимо создать некий универсальный микроб в лаборатории, потому что природа такого не создала.
Давайте пофантазируем: возьмем гены того микроба, который ферментирует ксилозу (хотя он делает это весьма вяло), и введем его гены в пекарские дрожжи, которые очень хорошо ферментируют глюкозу. Возможно, новый гибрид будет хорошо ферментировать и ксилозу?..
Конечно, можно заняться и улучшением того дикого микроба, который найден в природе и пусть немного, но ферментирует ксилозу. Это уже второй подход…
В мире на эту тему в научных журналах печатается в год примерно сто работ. Пока считается, что самый лучший подход — генно-инженерный, когда гены метаболизма ксилозы введены в пекарские дрожжи. Однако при этом создается все равно меньше этанола из той ксилозы, нежели дает выделенный дикий штамм. И ученые не понимают, почему у того пусть и плохонького дикого микроба метаболизм получается лучше, чем после всех ухищрений генных инженеров с дрожжами?
Несмотря на это, на заводах, где обкатываются технологии, уже начали получать спирт из опилок (в Швеции), из соломы (в Канаде). Здесь получают по 100 миллионов литров спирта на продажу. Делают это на тех пекарских дрожжах, которые получили с помощью генной инженерии, когда встроили в них ген метаболизма ксилозы. Идет масштабная, хотя экономически и невыгодная, проверка технологического процесса. Кроме того, процесс экологически опасный, так как используется кислотный гидролиз. Все специалисты убеждены, что выход один — нужно объединить ферментацию и сахарификацию при 50 градусах в одной емкости.
Во Львове уже давно работают с дрожжами — хансенула полиморфа. В Институте биологии клетки удалось установить, что оптимум их роста находится при температуре около 40 градусов, а максимальная температура, при которой они еще растут с глюкозой или с ксилозой, — 50 градусов. Странно, но до львовян еще никто не открыл таких способностей у дрожжей. Это было настолько шокирующее открытие, что материалы из Львова поначалу даже не хотели печатать в научных журналах.
Далее, заменив гены, которые расщепляют сахар по эффективному пути, удалось получить улучшенный мутант, ферментирующий ксилозу при 50 градусах. Львовские ученые подробные отчеты о своих достижениях пока нигде не публикуют, чтобы не раскрыть сути патента.
«Сейчас, — рассказал Андрей Сибирный, — мы подаем заявки на два новых патента: один на организм, который ферментирует ксилозу при 50 градусах, а второй — на улучшение процесса с помощью генов теплового шока. Мы регулярно выигрываем гранты и у нас есть средства на исследования — сто тысяч долларов на лабораторию в год. В ней работает 30 человек, которые получают весьма приличную зарплату, регулярно ездят за рубеж в научные командировки. При этом я не боюсь, что они не вернутся, потому что кроме родительского дома, здесь их ждет лаборатория, в которой можно работать на современном оборудовании, с новейшими реактивами не хуже, чем в Голландии или в Штатах. Все наши ученые, которые работали в Корее, в различных университетах США, вернулись».
В меру пьющие грибы
Горячий сторонник биотоплива министр украинского АПК Баранивский, которому удалось немало сделать для развертывания выращивания соответствующих технических культур в Украине (например, рапса), не раз в интервью высказывался примерно в том духе, что гораздо перспективнее купить передовые западные технологии и сразу же поднять уровень нашего производства, нежели ориентироваться на тощие достижения украинской науки. Не звучало особого энтузиазма и в ответах министра обозревателю «ЗН» по поводу использования достижений украинских ученых в освоении биодизеля и этанола...
В Украине вырабатывается немало этанола из мелассы, картофеля и некоторых злаков. Но чтобы он реально стал заменителем бензина, нужно производство увеличить в десятки раз. Для начала, по мнению А.Сибирного, должна быть создана академическая программа, так как есть много нерешенных чисто научных проблем. Она должна стать основой государственной программы — несмотря на то что украинские ученые уже добились уникальных результатов, сегодня нереально внедрить современную технологию силами одной страны. Здесь нужно задействовать международное разделение труда. Но при этом у украинских ученых должны быть сильные позиции, опирающиеся на помощь родного государства.
Львовяне получили результаты фактически за деньги американцев, но, тем не менее, в трудных переговорах добились согласия о том, что полученное станет собственностью не только американской фирмы, субсидирующей проект, но и Института биологии клетки НАНУ. Кстати, это редкий случай в нашей науке — многие другие академические институты в аналогичных условиях вынуждены были отдать патенты финансирующей организации. Государственная программа, частичное финансирование из украинского бюджета помогли бы привлечь для реализации задуманного научных сотрудников других институтов НАНУ.
К примеру, в Институте микробиологии и вирусологии им. Заболотного есть уникальная коллекция микроорганизмов, штаммов грибов, которые продуцируют целлюлазу, гемицеллюлазу. Не исключено, что среди них можно найти еще более подходящие штаммы, чем те, с которыми сейчас работают львовяне. Но это требует специального поиска и для этого нужно финансирование.
Институт биоорганической химии и нефтехимии мог бы подключиться и исследовать стабильность спирто-бензиновых растворов: нужно выяснить, как растворы расслаиваются, как влияют на двигатели, наконец, как можно получать абсолютный спирт.
Вскоре понадобятся аппараты для гидролиза — это задача для Института электросварки имени Е.Патона.
Нужны специальные биосенсоры для того, чтобы мониторить процесс, а это уже задача для Института молекулярной биологии и генетики, Института биохимии.
Нужна помощь экономистов, математиков…
«Думаю, — считает Андрей Андреевич, — мои штаммы будут лучшими в мире года через два. То, что они ферментируют при 50 градусах, — уже факт. Но они должны еще и вырабатывать этанол при этой температуре хотя бы раз в восемь — десять лучше, чем сегодня. Мы столкнулись с новой проблемой: они начинают вырабатывать его, а потом… съедают, точнее выпивают спирт сами.
Пока мы пробуем и кое-что уже нащупали, чтобы заблокировать реутилизацию. Проверяем путь — ввести ген из бактерий в дрожжи и заставить их работать по бактериальному пути. Это более эффективное направление, так как сами бактерии не могут выдержать столько спирта. На основе этого созданы штаммы, которые значительно больше создают этанола. В общем, движемся по очень перспективному направлению. Уже ближайшие годы покажут, куда мы придем».