Нещодавно у португальському туристичному містечку Томар відбулася конференція, присвячена міжнародній економічній безпеці, — «Біоенергія: від концепції до комерційних процесів». У ній взяли участь представники 34 країн. У своїх виступах учені розповіли про те, як перетворити ті приблизно 200 млрд. тонн сухої речовини, яка за рік створюється рослинами на планеті, на паливо, яке може замінити нафту, вугілля, газ, ядерну енергію. Коли буде знайдено надійний і недорогий спосіб такої конверсії, це дуже сприятиме розв’язанню людством енергетичних проблем.
У Томар були запрошені лише ті вчені, досягнення яких дозволять у доступній для огляду перспективі наблизитися до вирішення цього завдання. Досить важливо, що єдиним доповідачем від України й узагалі від Центральної і Східної Європи був директор Інституту біології клітини Національної академії наук Андрій Сибірний. Наукові досягнення очолюваного ним наукового закладу сьогодні привертають увагу не тільки колег в усьому світі, але й американських біотехнологічних фірм. США поставили перед собою мету — якнайшвидше ліквідувати залежність від нафти і газу, які постійно дорожчають, а, відповідно, і від примх їх постачальників. Саме тому не лише фірми, але й міністерство сільського господарства цієї країни щедро фінансує такі дослідження, пов’язуючи з ними великі надії.
До відома: АПК нашої держави виявляє цілковиту байдужість до таких українських розробок...
Щоб далеко бачити, потрібно стояти на плечах велетнів
Інститут біології клітини НАНУ (Львів) — наймолодший академічний заклад біологічного профілю. За нашими мірками, інститут невеликий — у ньому працюють 104 особи, включно з прибиральницями і вахтерами. Втім, для Заходу — це великий науковий заклад. Там учені рідко об’єднуються, як у нас, у багатотисячні колективи. Приміром, у Швейцарії в аналогічному інституті працюють 40 осіб. Проте у ньому зросли два нобелівські лауреати. У науці великі числа не завжди супроводжують високі досягнення.
Львів’яни досягли серйозних результатів і співробітничають з ученими Швеції, Великобританії, США. Виявилося, що вивчення фундаментальних проблем біології дозволяє підійти з несподіваного боку і до утилітарних проблем енергетики. Директор інституту Андрій Сибірний не робить секрету з того, як провінційний інститут пробився у світову наукову еліту: «Мій шеф — видатний український мікробіолог, професор Георгій Шавловський, закінчив аспірантуру в Москві у всесвітньо відомому Інституті мікробіології — дуже важливо мати такого попередника. Нам пощастило, оскільки науковий керівник поставив високу планку і стежив, щоб ми її у Львові не опускали».
Андрій Андрійович розповів, що у наукової периферії свої особливості — тут учені практично ніколи не мали гідного фінансування, бо Москва більшу частину коштів на науку лишала собі, трохи діставалося Києву й у Львів уже не приходило майже нічого. Тому провінціали звикли їздити з простягненою рукою в Пущино під Москвою зі стандартною фразою: «Пробачте, що я до вас звертаюся, але ми люди не місцеві»... Там їм виділяли з панського плеча якісь реактиви для дослідів. Нерозпещеність навчила виживати.
Проте тепер, коли до львів’ян приїжджають колеги з Москви, недавні провінціали мають вигляд зовсім непоганий. Львівські вчені за роки незалежності встановили широкі контакти в науковому світі, мають договори з найкращими світовими фірмами. Це дозволяє бути на вістрі світової науки і навіть мати при цьому цілком пристойне лабораторне обладнання, реактиви і, як наслідок, одержувати серйозні наукові результати. У Андрія Андрійовича торік вийшло вісім статей, переважно у міжнародних журналах. За останні десять років його імпакт-фактор зріс до 65. Крім того, отримані патенти: японський, корейський, американський і європейський.
«На початку наукової кар’єри, — згадує А.Сибірний, — уявити собі не міг, що мене по Інтернету знайде солідна фірма, й я поїду у США з дружиною і доньками, де працюватиму, не відчуваючи при цьому жодної дискримінації. Там у мене була нормальна зарплата, квартира і все інше. Напевно, добробут допоміг швидше зрозуміти, що треба повернутися, оскільки я, як і більшість людей, краще почуваюся вдома. Я уклав з американською фірмою контракт про розробку методів генетичної інженерії для продуцента вітаміну В2 для того, щоб працювати над цією проблемою у Львові. Раніше вітамін було отримано з допомогою класичної селекції, а над новітніми методами потрібно було ще попрацювати. От за це завдання ми і взялися. Життя, загалом, закрутилося.
На американцях ми не зациклюємося — чималу користь приносить співробітництво з європейськими, особливо польськими вченими. Сьогодні в Польщі відчувається темп і стиль роботи Західної Європи. Так, колись ми замовляли праймери ДНК через Москву і чекали по півроку, поки їх приготують. Потім, щоб прискорити роботу, почали замовляти їх у Чикаго — американці готували їх за тижні. Тепер замовляємо у Варшаві — через три дні вони вже у нас в лабораторії.
Три людини 2003 року одержали Нобелівську премію (дві з Ізраїлю й одна зі Штатів) за відкриття примітивного механізму деградації білків. У Львові вивчають складніший механізм розпаду білків — їхню взаємодію між собою під час деградації клітини. Одна з причин раку печінки — порушення цього процесу. У Інституті біології клітини зайнялися і метаболічною інженерією — почали створювати організми, які синтезують те, що їм доручать дослідники. Робота генетика, — не без іронії зазначає Андрій Сибірний, — те саме що праця слюсаря-сантехніка, котрий, знаючи, куди йдуть потоки, може своєчасно перекрити трубу або, навпаки, відкрити потрібний вентиль, уставити якийсь перехідник... Так і ми — знаходимо вузьке місце, щось відсікаємо. Буває, у якоїсь амеби ген працює набагато краще, ніж у наших зразків. Що ж — витягаємо потрібний ген і вставляємо його в необхідну ділянку. Таким способом ми створюємо те, про що природа не подбала. Нині зосередили зусилля на одержанні паливного біоетанолу».
У США щорічно збільшують виробництво етанолу з кукурудзяного крохмалю майже на 18 відсотків. Досліджується доцільність використання для цього як сировини пшениці, жита, ячменю. Вже побудовано 75 заводів з випуску етанолу з крохмалю. Ще 14 будується. Президент Буш часто у звертаннях до нації підкреслює важливість розвитку цього напряму, особливо необхідність (у зв’язку з подорожчанням харчової сировини) переходу на виготовлення біопалива з відходів. Підраховано: якби у США переробити на спирт відходи целюлозно-паперових комбінатів, відходи деревообробки, сільського господарства, то потреба в бензині зменшилася б на 70 відсотків.
Країни ЄС уже розробили план, за яким до 2010 року бензин у європейських країнах має містити не менш як 5,75 відсотка етанолу!
Ще один світовий лідер у цій справі — Бразилія. Тут біоетанол виробляють переважно з цукру. Їм уже вдалося замінити 30 відсотків бензину на етанол. Це дозволило заощадити на імпорті нафтопродуктів близько 100 млрд. доларів і навіть перетворитися з імпортера нафти на її експортера. Чим не приклад для нас?
Років десять тому, як розповів академік Валерій Кухар, в Україні розглядалося питання переведення половини спиртогорілчаних заводів на виробництво етанолу для використання як автомобільного палива. Реалізації проекту перешкодило кілька причин. Одна з них — побоювання, що деякі водії замість того, щоб заправляти етанолом автомобілі, почнуть його пити. До речі, на таку саму проблему наразилися й у Бразилії. Проте це не завадило їм реалізувати проект. У зв’язку з цим цікаво порівняти, на що в різних країнах йде спирт: у середньому 15 відсотків — на приготування спиртних напоїв, ще 15 використовується в хімічній і лакофарбовій промисловості, а 70 відсотків додається до палива. Водночас у нас у країні обернена статистика — 70 відсотків спирту йде на виробництво спиртних напоїв!
У будь-якій українській сім’ї знають головний технологічний секрет ХХI століття. Проте...
Творець масового автомобіля Генрі Форд свої перші двигуни зробив у розрахунку на етанол, одержуваний із кукурудзи. Але невдовзі дешеві нафта і бензин витиснули його і мотори для авто довелося переробити. Нині інтерес до етанолу повертається. Вже очевидно, що з відходів можна одержати таку кількість спирту, що цілком відпаде необхідність у нафті для двигунів внутрішнього згоряння. Коли ж потреба в паливі зростатиме, можна висадити плантації рослин, які швидко нарощують біомасу. Зрозуміло, коли нафта закінчиться, вихід у землян є. Сповнює надії і те, що у цьому стосунку перспективи перетворення України на новий Кувейт у майбутньому дуже великі.
Щоправда, поки нинішня технологія має серйозний недолік — розщеплення целюлози в біомасі здійснюється з допомогою сірчаної кислоти. Це дорого й екологічно небезпечно — виникає багато побічних токсичних продуктів, які до того ж гальмують ферментацію спирту. От над тим, як вийти із зачарованого кола, і працюють сьогодні вчені. Вибір у них не дуже великий — у природі є лише два види організмів, які продукують спирт і переносять його високі концентрації: дріжджі-сахароміцети (знайомі кожному, кому доводилося гнати самогон) і бактерії, які індіанці у Мексиці використовують для одержання горілки з агави — пульке. І все!
Класична технологія одержання спирту з біомаси така: спочатку солому, тирсу, органічне сміття потрібно прогідролізувати. Суха біомаса переважно розкладається на целюлозу — полімери цукрів, які розщеплюються целюлазою до глюкози. Такий гідроліз називається цукрофікацією. Після накопичення певної кількості глюкози подальший гідроліз не здійснюватиметься. Цю глюкозу потрібно забирати звідти. А для створення високоефективної технології потрібно об’єднати процес цукрофікації, або гідроліз, і наступну алкогольну ферментацію в одній ємності.
І тут є два моменти — ферменти, які гідролізують, мають оптимум роботи при 50 градусах, а мікроби, дріжджі, які перетворюють усе це на спирт, оптимально працюють при температурі близько 30 градусів. Отже, ці два процеси в одній ємності поки що поєднати не можна. Тобто реакція відома, але гідроліз, як і колись, проводять з допомогою кислоти. Потім нейтралізують, додають дріжджі.
Далі вже жодних проблем з ферментацією глюкози. Цей процес досконало проводять майже в будь-якій українській хаті — ферментують глюкозу до самогону без якихось ускладнень. При одержанні спирту з біомаси в гідролізаторах утвориться ще один цукор — ксилоза. Проте, якщо глюкоза зустрічається в природі у вільному стані — у винограді, у різних фруктах — і тому дуже багато мікробів навчилися її споживати, то ксилоза зустрічається тільки у зв’язаному стані і вкрай мало мікробів можуть нею харчуватися. А ще менше можуть з неї продукувати спирт. Утім, стати рентабельним і скласти конкуренцію бензину етанол зможе лише у тому разі, коли його отримають у результаті процесу, коли мікроорганізми перероблять усе, що отримано при ферментації. У крайньому разі, хоча б глюкозу і ксилозу. Для цього необхідно створити якийсь універсальний мікроб у лабораторії, оскільки природа такого не створила.
Давайте пофантазуємо: візьмемо гени того мікроба, що ферментує ксилозу (хоча він робить це дуже мляво), і введемо його гени в пекарські дріжджі, які дуже добре ферментують глюкозу. Можливо, новий гібрид добре ферментуватиме і ксилозу?..
Звичайно, можна розпочати поліпшувати той дикий мікроб, знайдений у природі, який, нехай трохи, але ферментує ксилозу. Це вже другий підхід...
У світі з цієї теми в наукових журналах друкується щороку десь сто робіт. Поки вважається, що найкращий підхід — генно-інженерний, коли гени метаболізму ксилози введені у пекарські дріжджі. Проте при цьому утворюється все одно менше етанолу з тієї ксилози, ніж дає виділений дикий штам. І вчені не розуміють, чому в того, хоч і поганенького, дикого мікроба метаболізм виходить краще, ніж після усіх хитрощів генних інженерів із дріжджами?
Незважаючи на це, на заводах, де обкатуються технології, вже почали добувати спирт із тирси (у Швеції), із соломи (у Канаді). Тут одержують по 100 мільйонів літрів спирту на продаж. Роблять це на тих пекарських дріжджах, які одержали з допомогою генної інженерії, коли вбудували у них ген метаболізму ксилози. Відбувається масштабна, хоча економічно й невигідна, перевірка технологічного процесу. Крім того, процес екологічно небезпечний, оскільки застосовується кислотний гідроліз. Усі фахівці переконані, що вихід один — потрібно об’єднати ферментацію і цукрофікацію при 50 градусах в одній ємності.
У Львові вже давно працюють із дріжджами — хансенула поліморфа. В Інституті біології клітини вдалося встановити, що оптимум їхнього росту припадає на температуру близько 40 градусів, а максимальна температура, при якій вони ще ростуть з глюкозою чи з ксилозою, — 50 градусів. Дивно, але до львів’ян ще ніхто не виявив такої здатності у дріжджів. Це було настільки вражаюче відкриття, що матеріали зі Львова спочатку навіть не хотіли друкувати в наукових часописах.
Далі, замінивши гени, які розщеплюють цукор ефективним шляхом, вдалося одержати поліпшений мутант, що ферментує ксилозу при 50 градусах. Львівські вчені докладні звіти про свої досягнення поки ніде не публікують, аби не розкрити суті патенту.
«Нині, — розповів Андрій Сибірний, — ми подаємо заявки на два нових патенти: один на організм, який ферментує ксилозу при 50 градусах, а другий — на поліпшення процесу з допомогою генів теплового шоку. Ми регулярно виграємо гранти й у нас є кошти на дослідження — сто тисяч доларів на лабораторію на рік. У ній працює 30 осіб, котрі одержують дуже пристойну зарплатню, регулярно їздять за кордон у наукові відрядження. При цьому я не боюся, що вони не повернуться, бо, крім рідного дому, тут їх чекає лабораторія, де можна працювати на сучасному обладнанні, з новітніми реактивами не гірше, ніж у Голландії або Штатах. Усі наші вчені, які працювали в Кореї, у різних університетах США, повернулися».
У міру питущі гриби
Палкий прибічник біопалива міністр українського АПК Баранівський, котрому вдалося чимало зробити для розгортання вирощування відповідних технічних культур в Україні (наприклад, ріпаку), не раз в інтерв’ю висловлювався приблизно у тому дусі, що набагато перспективніше купити передові західні технології і відразу ж підняти рівень нашого виробництва, ніж орієнтуватися на слабкі досягнення української науки. Не звучало особливого ентузіазму й у відповідях міністра оглядачу «ДТ» із приводу використання досягнень українських учених в освоєнні біодизеля й етанолу...
В Україні виробляється чимало етанолу з меляси, картоплі і деяких злаків. Але, щоб він реально став замінником бензину, потрібно виробництво збільшити в десятки разів. Для початку, на думку А.Сибірного, має бути створена академічна програма, тому що є багато нерозв’язаних суто наукових проблем. Вона повинна стати основою державної програми — незважаючи на те, що українські вчені вже досягли унікальних результатів, сьогодні нереально впровадити сучасну технологію силами однієї країни. Тут потрібно задіяти міжнародний поділ праці. Але при цьому в українських науковців повинні бути сильні позиції, які спираються на допомогу рідної держави.
Львів’яни здобули результати фактично за гроші американців, однак у важких переговорах домоглися згоди про те, що отримане стане власністю не лише американської фірми, яка субсидіює проект, але й Інституту біології клітини НАНУ. До речі, це рідкісний випадок у нашій науці — багато інших академічних інститутів в аналогічних умовах змушені були віддати патенти організації, яка фінансує. Державна програма, часткове фінансування з українського бюджету допомогли б залучити для реалізації задуму наукових співробітників інших інститутів НАНУ.
Приміром, в Інституті мікробіології і вірусології ім. Заболотного є унікальна колекція мікроорганізмів, штамів грибів, які продукують целюлазу, геміцелюлазу. Не виключено, що серед них можна знайти ще більш придатні штами, ніж ті, з якими сьогодні працюють львів’яни. Але це вимагає спеціального пошуку і для цього потрібне фінансування.
Інститут біоорганічної хімії і нафтохімії міг би підключитися і досліджувати стабільність спирто-бензинових розчинів: потрібно з’ясувати, як розчини розшаровуються, як впливають на двигуни, зрештою, як можна одержувати абсолютний спирт.
Незабаром знадобляться апарати для гідролізу — це завдання для Інституту електрозварювання імені Є.Патона.
Потрібні спеціальні біосенсори для того, щоб моніторити процес, а це вже завдання для Інституту молекулярної біології і генетики, Інституту біохімії.
Потрібна допомога економістів, математиків...
«Вважаю, — каже Андрій Андрійович, — мої штами будуть найкращими у світі десь через два роки. Те, що вони ферментують при 50 градусах, — уже факт. Але вони мають ще й виробляти етанол при цій температурі хоча б разів у вісім- десять краще, ніж сьогодні. Ми маємо нову проблему: вони починають виробляти його, а потім... з’їдають, точніше випивають спирт самі.
Поки ми намагаємося, і дещо уже намацали, аби заблокувати реутилізацію. Перевіряємо шлях — увести ген із бактерій у дріжджі і змусити їх працювати бактеріальним шляхом. Це ефективніший напрям, тому що самі бактерії не можуть витримати стільки спирту. На основі цього створені штами, які створюють набагато більше етанолу. Загалом, рухаємося у дуже перспективному напрямі. Вже найближчі роки покажуть, куди ми прийдемо».