ХХ век называли веком физики. В ХХI веке главенствующую роль отдают биологии. Считается, что именно биотех является одним из столпов нового технологического уклада. Заместитель директора комплекса НБИКС Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», профессор, д.б.н. Александр Яненко, посетивший Томский государственный университет для участия в IV Российском микробиологическом конгрессе, рассказал газете Alma Mater, почему биотех будет определять дальнейшее развитие человечества и как это направление развивается в России.
МИКРОБЫ – ВАЖНЕЙШИЕ ПРОДУЦЕНТЫ ПОЛЕЗНЫХ ВЕЩЕСТВ
– Александр Степанович, считается, что те страны, которые преуспеют в создании биотехнологий, будут развиваться наиболее эффективно и устойчиво. Почему?
– Я согласен с этим утверждением. Три фактора, которые играют главные роли при переходе к новому технологическому укладу, – это цифра, ИИ и всё, что с ними связано; аддитивные технологии и биотех. Под биотехнологиями мы подразумеваем использование живых организмов, их систем либо продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач. Сегодня с помощью методов геномного редактирования мы можем создавать живые организмы с нужными функциональными свойствами.
У биотехнологий есть очень весомое преимущество в сравнении с другими подходами – они позволяют производить новые продукты из возобновляемого сырья. Природные ресурсы Земли не бесконечны, человек их уже существенно исчерпал. Иногда говорят, что мы уже живем в долг у последующих поколений, то есть потребности людей все сложнее вписывать в возможности планеты. Более того, развитие человечества сопровождается колоссальными экологическими проблемами. Сокращение природных ресурсов и нарушение экологии уменьшают возможности экономического развития страны. Биотех способен решить эти проблемы.
Например, широкое использование природоподобных биотехнологий способно замедлить процесс изменения климата. Серьезную роль в этих изменениях играют парниковые газы. В этой связи следует отметить, что именно биотехнологии являются технологиями, обеспечивающими углеродную нейтральность. Более того, парниковые газы (двуокись углерода или метан) могут служить питательным сырьем для микроорганизмов. Кроме того, природоподобные технологии ведут к сокращению энергопотребления и не требуют высоких температур и давления для реализации.
С помощью биотехнологий можно получать ценные продукты из возобновляемого сырья – растительного сырья и отходов производства. При этом главным действующим агентом в этих процессах выступают микроорганизмы, в первую очередь, бактерии и грибы.
И еще одно очень важное обстоятельство – микроорганизмы являются самыми многочисленными представителями биоты на планете. Однако на сегодняшний день изучено всего лишь около пяти процентов микробов. Исследование микробиоты – это просто непаханое поле для ученых! И здесь нас ожидают большие открытия.
– В какой сфере биотехнологии нужны в первую очередь?
– Они необходимы во всех сферах человеческой жизни без исключения. Нужно сказать, что человек начал использовать биотехнологии в давние времена, когда еще не знал о существовании микроорганизмов. Приготовление кисломолочных продуктов, вина, дрожжевого хлеба, кваса – это все биотехнологии. В настоящее время микроорганизмы используются для синтеза незаменимых компонентов пищи и кормов, создания биоудобрений и средств защиты растений, то есть от микробов, как ни странно это звучит, во многом зависит продовольственная безопасность страны.
Многие лекарства и большинство вакцин, пробиотики изготавливаются с использованием бактерий, вирусов и грибов. Соответственно, микроорганизмы нужны и для защиты здоровья нации.
Наряду с этим они используются в других областях, например, в металлургической промышленности для извлечения металлов из горных пород, в производстве новых биоматериалов, биодеградируемых пластиков, реагентов для нефтедобычи и других. Это уже технологическая безопасность страны.
Природоподобные технологии, по сути, являются сквозными, они присутствуют во всех сферах деятельности человека и обеспечивают технологический прогресс. Но совершенно особые отношения у биотеха складываются с сельским хозяйством. Сельское хозяйство является поставщиком сырья для биотехнологий, а биотехнологии, в свою очередь, обеспечивают сельское хозяйство продуктами, от которых зависит его эффективность.
КАК ПОВЫСИТЬ КПД МИКРОБА?
– Как производится отбор микроорганизмов, ценных для промышленности?
– Сразу скажем, что в промышленности используются, как правило, генетически измененные микроорганизмы. Природные микроорганизмы придерживаются простой стратегии – расти и размножаться. Чтобы заставить микроорганизм продуцировать необходимый человеку продукт, нужно коренным образом изменить его, изменить его стратегию жизни. Это достигается с помощью генетических технологий. Если посмотреть на всю историю развития генетики, можно выделить несколько больших этапов в развитии генетических технологий. Изначально использовался подход, называемый «мутагенез и отбор».
С помощью мутагенеза в геном вносятся ненаправленные изменения, а затем с помощью отбора отыскивают улучшенные варианты. Этот подход является чрезвычайно трудоемким и непредсказуемым.
Второй этап в развитии генетических технологий связан с развитием генной инженерии. С ее помощью были впервые получены трансгенные организмы, содержащие генетический материал из разных источников. Это так называемые генетически модифицированные организмы (ГМО).
Следующий этап – это генетическое редактирование. Сегодня идет его активное развитие. И, наконец, четвертый этап, который начался уже в ХХI веке, – это синтетическая биология. Это направление подразумевает проектирование и создание новых биологических систем, в том числе таких, каких нет в природе. Это будущее генетических технологий.
– Александр Степанович, объясните, пожалуйста, в чем заключается отличие генной модификации от генетического редактирования?
– Как правило, ГМО получаются с помощью генной инженерии и являются химерными организмами, содержащими генетический материал из разных видов, которые в природе не способны скрещиваться, то есть обмениваться генетическим материалом.
В случае геномного редактирования, как правило, изменениям подвергается собственный генетический материал без привлечения чужеродного, изменения происходят направленно с помощью систем, в норме функционирующих в клетке. Редактированная клетка приобретает новые свойства, но не имеет статуса ГМО, которого все так боятся.
– Какие продукты сейчас создает ваша научная группа и какие микроорганизмы в них используются?
– Наш коллектив, ранее известный как ГосНИИгенетики, в настоящее время работает в составе Курчатовского института. Мы работаем в области промышленной микробиологии – создаем с помощью генетических технологий штаммы-продуценты и разрабатываем технологии микробного синтеза продуктов, востребованных на рынке. Объектами наших исследований являются основные виды промышленных микроорганизмов – энтеробактерии, коринебактерии, родококки, бациллы, дрожжи. Для каждого вида мы разрабатываем системы редактирования, основанные на CRISPR-Cas, системах гомологичной и сайт-специфичной рекомбинации.
– Можете подробнее рассказать про производство аминокислот? Знаю, что под вашим руководством была создана технология биосинтеза лизина. Ее называют стратегически важной для страны. Почему?
– Технология была создана в институте ГосНИИгенетики, который в свое время создавался именно для разработки технологий производства аминокислот, прежде всего, для парентерального питания. Но как-то медицинское направление не получило развития, и мы переориентировались на сельское хозяйство. В последние 30 лет в мире наблюдается колоссальный спрос на аминокислоты. Каждый год в мире потребляется около 12-15 миллионов тонн и ежегодно потребление растет на пять процентов. У нас в стране аналогичная ситуация. Вы видите, что в последние годы сельское хозяйство динамично развивается, увеличиваются объемы производства мяса. Однако без незаменимых аминокислот невозможно интенсивное животноводство.
Без аминокислот не будет в достаточном количестве ни мяса, ни яиц, ни молока. Животные, как и человек, утратили способность синтезировать незаменимые аминокислоты, из которых синтезируются все белки. Потребности в аминокислотах животные восполняют с помощью кормов. Если не добавлять аминокислоты в корма, то животные будут медленно расти, потреблять большое количество кормов. В результате стоимость продуктов животноводства (мяса, яиц и других) будет увеличиваться, а животноводство становиться неконкурентоспособным.
В отличие от животных, микроорганизмы сохранили способность синтезировать незаменимые аминокислоты. С помощью генетических технологий мы изменили бактерии, и они стали продуцировать в 200 раз больше лизина – важнейшую незаменимую аминокислоту. На основе наших технологий было создано промышленное производство лизина в Шебекино Белгородской области, которое производит около 80 тысяч тонн лизина сульфата (это около 2/3 всей потребности российского животноводства). Это предприятие впервые в мировой практике использует пшеницу для производства лизина.
– Над какими продуктами вы работаете сейчас? Какой из реализуемых проектов вам кажется наиболее интересным?
– Биотехнологии больше всего востребованы в медицине. Одним из наиболее перспективных направлений является создание биоматериалов на основе биополимеров, например, на основе паутины. Эти работы проводятся под руководством академика Владимира Дебабова. С помощью генетических технологий гены паука были переданы в дрожжевые клетки, которые стали продуцировать белки паутины. Это удивительный материал для регенеративной медицины: он не обладает иммуногенностью и является биодеградируемым. Одно из применений для паутины – создание покровных материалов или искусственной кожи. Такие материалы из паутины обладают уникальной особенностью – они обеспечивают заживление ожогов без образования рубцов. Вот вам пример природоподобной технологии.
Принцип создания материала – паутины – заимствован у природы. Структуру биоматериала можно модифицировать с помощью генетических технологий. Был получен гибридный белок из паутины и пептида из ноги мидии, который участвует в прикреплении мидии к поверхности. Такой гибридный белок является основой универсального биоклея, который способен склеивать разные материалы (бумага, металл, пластик) в водной среде. Предполагается использовать такой биоклей в хирургии и заменить им шовный материал.
– Александр Степанович, можно, я уточню – есть страны, в которых материалы на основе паутины уже внедрены?
– Пока нет.
– То есть у российских ученых в данном направлении есть некоторое преимущество?
– В данном случае да. Но пока это лабораторные разработки. Для их внедрения нужны доклинические и клинические исследования, что потребует значительных финансовых затрат. Я думаю, что у материала, способствующего заживлению ожогов без рубцов, есть хорошие перспективы для внедрения.
БИОТЕХУ НУЖНО СОЗДАТЬ УСЛОВИЯ
– К вопросу о внедрении – у российских ученых есть множество хороших разработок, но внедряется очень мало. В чем причина и что нужно для того, чтобы изменить сложившееся положение?
– Действительно, биотех сейчас развивается не так динамично, как нам бы хотелось. Хотя в советские годы страна по объемам производства биотехнологической продукции была на втором месте после США. В 1990-е лидерские позиции были утрачены. Сейчас очень много говорится о том, насколько важен биотех, но нужны конкретные действия. Биотеху необходимо создавать условия. Я говорю не только об инфраструктуре, но и о законах, регулирующих деятельность в данной сфере.
В прошлом году президентом России был подписан указ о создании генетического биоресурсного центра промышленных микроорганизмов. Наряду с этим идет работа по созданию национальной базы генетической информации. Это важнейшие элементы национальной инфраструктуры для развития отечественного биотеха. База будет аккумулировать информацию о структуре геномов всех используемых в стране организмов. Национальный биоресурсный центр, в свою очередь, станет хранилищем-депозитарием всех образцов микроорганизмов, применяемых в народном хозяйстве или обладающих потенциалом промышленного применения. Таким образом, будут обеспечены сохранность и использование микробных ресурсов в национальных интересах.
Имеются нормативные ограничения по использованию генетически измененных микроорганизмов. Много неясностей с использованием микроорганизмов, которые подверглись генному редактированию. Сейчас проект закона, предусматривающий использование редактированных организмов, находится на рассмотрении у законодателей. От этого закона тоже будет зависеть динамика развития биотеха и внедрение новых технологий в России.
Дело в том, что сейчас статус этих организмов законодательно не определен. Вопрос в том – отнесут их к ГМО (генномодифицированным организмам), использование которых в биотехнологиях запрещено, или нет? По своей сути, по принципу создания они не являются ГМО, но все зависит от того, что решат законодатели. Дадут они зеленый свет генноредактированным микроорганизмам или нет.
– А как с этим обстоят дела у других стран?
– В США и Китае они разрешены. Там на основе подобных организмов уже созданы и внедрены десятки технологий. Европа пока осторожничает.
– Почему так происходит?
– Думаю, главным ограничивающим фактором в данном случае является страх перед ГМО. Но, конечно, необходимо обеспечить безопасность продуктов, получаемых с помощью ГМО. Мы у себя в стране вполне такой контроль можем обеспечить. Мы очень надеемся на то, что здравый смысл возобладает и будет принято положительное решение. Это позволит достаточно быстро и эффективно решать задачи создания новых пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов. Уже создан целый ряд новых сортов пшеницы, сои и других сельхозкультур с высокой продуктивностью и очень хорошими функциональными свойствами. Например, все знают, что если картошку замораживают, к примеру, для полуфабрикатов, она становится сладкой.
Можно с помощью генетических технологий получить картофель, который не будет сладким после замораживания. Такие варианты уже получены учеными ИЦиГ из Новосибирска. Однако пока выращивать и продавать этот продукт нельзя. Это запрещено законодательно. Поэтому мы очень ждем решение законодателей.
Нужно понимать, что тот, кто умеет быстро и эффективно получать измененные формы, повышать продуктивность, повышать урожайность, концентрацию полезных веществ в продукте, тот и правит рынком.
– Александр Степанович, и последний вопрос – какой продукт или технологию вам хотелось бы создать больше всего?
– Сегодня мы работаем над технологией биосинтеза метионина. Как я уже говорил, есть семь незаменимых аминокислот. Метионин – одна из наиболее востребованных. Сейчас его получают с помощью химического синтеза. Процесс многостадийный и довольно опасный, поскольку связан с использованием цианидов. Единственный в России завод расположен в Волгодонске. Предприятие очень изношено, требует капитального ремонта и реконструкции.
Создание технологи биосинтеза метионина – очень сложная задача, поскольку эта аминокислота содержит серу. Получить серосодержащую молекулу с помощью микроорганизмов крайне сложно и дорого для клетки. Для нас это большой профессиональный вызов. Очень хотелось бы, чтобы завод в Волгодонске был отремонтирован и запущен уже с новой биотехнологией. Мы уже начали работу над технологией, и несмотря на всю сложность этой задачи я верю, что эта миссия выполнима.