Биотехнологии — это решение практических, и прежде всего производственных, задач с помощью живых организмов, их систем и продуктов их жизнедеятельности. Например, создание ткани, очень похожей на натуральную кожу, из грибного мицелия. Или производство сладкого белка для создания диетических десертов, безвредных для диабетиков.
Микробные биотехнологии — это отдельная ниша в сонме биотеха, изучающая возможности применения микроорганизмов. Самая древняя микробная биотехнология, пусть она таковой и не осознавалась, — производство кисломолочных продуктов. Современные микробные биотехнологии применяются, например, для производства инсулина или решения проблем загрязнения окружающей среды. Научная группа Андрея Шестакова, ученого с биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, работает над экологической повесткой и продолжает развивать кисломолочное направление, в том числе с растительным молоком.
Жители льдов и любители нефти
Андрей Шестаков, микробиолог, руководитель лаборатории микробной биотехнологии МГУ:
«Очень большая проблема фундаментальной науки заключается в том, что из-за нашего снобизма — я имею ввиду ученых — огромное количество открытий не находит себе практического применения. Мы же думаем, что мы что-то узнали, открыли и таким образом сделали основную часть работы. А уж вы там думайте, как это внедрить. Поэтому девять из десяти открытий — это в лучшем случае — так и не покидают узкий круг заинтересованных ученых. Именно по этой причине мы в нашем проекте решили пойти с противоположного конца — есть конкретная задача: загрязнение воды углеводородами нефти».
Решение этой задачи методами микробной биотехнологии потребовало работы сразу над двумя проблемами. Сначала нужно было выбрать микроорганизмы, способные «переварить» нефть. Их на самом деле немало, и сам этот процесс не так уж удивителен: углеводороды нефти содержат много углерод-углеродных связей, расщепление которых высвобождает энергию. Можно провести параллель с тем, как люди получают энергию из жиров и масел — по-научному это звучит как «окисление триглицеридов жирных кислот», а по-простому — это то, что вы получаете, заправляя салат оливковым или подсолнечным маслом.
Но необходимо было найти те микробы, которые способны вести активный образ жизни при низких температурах. Дело в том, что география проекта была ограничена арктическими водами. А в этих широтах температура воды может быть и ниже 0 °C, так как соленая морская вода замерзает при более низких температурах, чем пресная.
Кроме того, научная группа Андрея Шестакова должна была отобрать те микроорганизмы, что способны не только эффективно питаться и размножаться в холодной соленой воде, но и без урона пережить все манипуляции, которые связаны с их доставкой до места разлива нефти. То есть второй шаг после отбора — определить, как осуществить транспортировку этих «нефтеядных обжор» до места загрязнения.
Отбор и транспортировка
Для решения первой задачи нужно было перебрать все микроорганизмы, которые можно было найти в интересующих исследователей широтах. Было проведено множество арктических экспедиций, в том числе ледокольных в рамках которых отобрали более 300 различных образцов. Далее в лаборатории предстояло из них выделить чистые культуры микроорганизмов, способных поедать нефть в том числе при отрицательных температурах. В чем сложность? Требуется оборудование.
Производство научного оборудования — бизнес с очень узкой нишей. Инкубаторы, которые поддерживают одну и ту же температуру и постоянно помешивают содержимое колб, чаще всего используются для работы при положительных температурах. А микроорганизмы, для которых комфортна температура ниже 0 °C, и ученые, которые их изучают, — это очень узкая прослойка внутри узкой ниши.
Андрей Шестаков:
«Мы столкнулись с такой проблемой, что никто из производителей не делает инкубаторы-качалки на температуры ниже нуля, минимум на 4 градуса. Так что пришлось адаптировать существующее оборудование под наши задачи».
В итоге микроорганизмы, способные жить и «работать» в таких экстремальных условиях, были найдены. Следующим этапом было создание своеобразных контейнеров для их доставки до их места загрязнения. Для этой цели были выбраны гранулы, покрытые гидрофобной оболочкой. За счет этого они могли держаться на поверхности воды и не раствориться, высвободив микробов раньше времени. Кроме того, гранулы просты в применении — их просто необходимо высыпать в море. Гидрофобная оболочка гранул растворяется при контакте с нефтью, так что высвобожденные из плена микробы сразу могут начать свои «пир». И здесь важно, что отобранные микроорганизмы по сути возвращаются обратно в свою среду обитания. После того как они «съедают» углеводороды нефти, микробы сами становятся пищей для других организмов, населяющих океан, те в свою очередь тоже станут кому-то едой — сохраняется стабильность пищевой цепочки. В итоге нефтяное загрязнение превратится в воду и СО2.
Важным полигоном для испытания прототипов микробного препарата выступает Беломорская биостанция МГУ, по территории которой буквально проходит Северный полярный круг. Там, в системе специальных проточных морских аквариумов, создается модельное нефтяное загрязнение и проверяется активность микроорганизмов. Система аквариумов устроена таким образом что углеводороды не попадают в открытое море, что позволяет проверять препарат не создавая угрозу природе.
Всероссийская библиотека бактерий
Второй проект, над которым работает научная группа Андрея Шестакова, — подбор комбинаций бактерий для создания новых кисломолочных продуктов.
Андрей Шестаков:
«Это научный факт, что микробы, которые живут у нас внутри, преимущественно в нашем толстом кишечнике, оказывают влияние на наше поведение. И это во многом наследственная история, потому что первый контакт человека с микробами происходит, когда он проходит через родовые пути. То есть свой набор микробов мы получаем от матери. Ряд факторов (питание, лекарственные средства, токсическая нагрузка и прочее) приводят к нарушению нашего микробного сообщества.
Один из способов, с помощью которого можно корректировать наш микробиом (так теперь правильно называть то сообщество микробов которое живет у нас в кишечнике), это пересадка чужих микробов к себе в кишечник с помощью фекальных трансплантатов. Так что, возможно, в недалеком будущем позитивные и здоровые люди смогут жить за счет того ресурса, который они естественным путем производят. Но есть менее радикальный и куда более простой способ повлиять на состав своего микробиома — употребление кисломолочных продуктов, которые ферментируются теми или иными бактериями. Значит, при поедании условного йогурта они поступают в наш организм».
Замысел ученых состоит в том, чтобы сделать своего рода библиотеку бактерий и комбинировать их в новых йогуртах. Создание новых микробных ассоциаций — задача отчасти даже этнографическая.
Дело в том, что в России один из самых широких ассортиментов национальных кисломолочных продуктов в мире. Во-первых, свою роль сыграл богатый этнический состав населения страны, но второй важный фактор — это то, что в некоторых культурах закваска для кисломолочных продуктов оберегается фактически как семейная реликвия. На Кавказе даже есть поговорка: «Закваску нельзя дать, ее можно только украсть». В итоге такая семейная закваска развивается подобно эндемическому виду, отрезанному океаном от всей остальной суши, и приобретает свой уникальный состав микроорганизмов.
Подобрать удачные микробные сочетания оказалось важно и для тех, кто предпочитает растительное молоко (на основе сои, овса, миндаля, кокоса и других продуктов) и не употребляет никакие кисломолочные продукты. Это поставило еще одну задачу перед группой Шестакова — создание йогуртов на растительной основе. В настоящий момент исследователи взяли две основы — овсяное молоко и кокосовое.
Свои бактерии — дело вкуса
Подавляющее большинство современных йогуртов, представленных на рынке, содержат всего-навсего два вида одних и тех же бактерий. Этого слишком мало для того, чтобы их употребление было по-настоящему полезным, потому что это унифицированный состав, подходящий для большинства людей.
Но для здоровья полезно, чтобы в рационе питания присутствовало как можно больше различных микроорганизмов (конечно, при условии, что они не болезнетворные). Тогда микробиом нашего кишечника будет разнообразным. Это важно для поддержания внутренней среды желудочно-кишечного тракта, для пищеварения и даже для настроения.
Новые продукты, которые получает научная группа Андрея Шестакова, как раз направлены на создания такого биоразнообразия на полках молочных отделов.
Ключевое отличие этих продуктов — это не вкус, хотя в зависимости от микробов, которые «работают» в том или ином продукте, он может отличаться. Самое важное — уникальные микробные ассоциации. Они достигаются, разумеется, не перемешиванием закваски из башкирской деревни с айраном из карачаевского села.
Методы микробиологии хоть и разнообразны в деталях, но достаточно унифицированы: внешне посев в чашке Петри бактерий для йогурта мало чем отличается от посева «нефтеядных» бактерий.
Андрей Шестаков:
«Актуальная проблема микробиологии состоит в том, что из всех известных микробов ученые умеют выращивать лишь малую часть — не более 10%. Сложность в том, что микробные сообщества могут обладать настолько тесными внутренними связями, что успешно культивировать отдельно какой-то организм оказывается невозможно. Ему просто мало питательной среды, которую ему могут предложить ученые. Кроме того, он может нуждаться в продуктах жизнедеятельности своего соседа, а чтобы не отравлять среду, в которой живет, ему нужен еще один сосед, который бы утилизировал уже его продукты жизнедеятельности. Но это простой пример, а в реальности такое уравнение может содержать гораздо больше переменных».
Все это усложняет комбинаторную задачу по созданию сообществ микроорганизмов в молочных продуктах. Но даже если дойти до «вкусной» стадии исследования, когда уже есть готовая закваска и можно как самоотверженный исследователь поставить эксперимент на себе и попробовать свой авторский йогурт, все равно сохраняется проблема масштабирования. Это еще одно выражение колоссальной дистанции между наукой и реализацией открытий в повседневной жизни.
У микробиологии, биохимии, молекулярной биологии иногда есть сложности с воспроизведением экспериментов. На это влияет множество факторов — от человеческого (невнимательность, неаккуратность) до некачественных реактивов или даже просто смены их производителя. Реакция, которая прошла во вторник, может ни в какую не идти в пятницу. А для запуска производства нужно, чтобы реакция была не только воспроизводима, но и масштабируема.
Получить йогурт в литровой баночке — не то же самое, что произвести его в промышленном ферментере на 1000 л. Элементарное масштабирование — в данном случае умножение всех компонентов реакции на 1000, не срабатывает. Для больших объемов нужно искать необходимые коррективы или альтернативные пути протекания реакции. А производству нужен строгий регламент, при котором будет максимальный выход продукта и минимальный брак.