МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ ПРОДУКТ: биокатализаторы многофункционального назначения

— Что такое биокатализатор? Это живая микробная клетка, закрепленная  в матрицу или на поверхности какого-то носителя. В качестве биокатализаторов мы используем иммобилизованные, т.е. обездвиженные клетки алканотрофных родококков, которые широко представлены в Уральской профилированной коллекции микроорганизмов ИЭГМ. 

Геном этих актинобактерий очень пластичен, о чем свидетельствуют типично бактериальный характер роста родококков, способность развиваться на минимальных средах, синтезировать и аккумулировать эндогенные вещества в качестве дополнительных энергетических субстратов, склонность к клеточной агрегации и высокая каталитическая активность в экстремальных условиях. Алканотрофные родококки могут потреблять не только жидкие углеводороды, но и высшие газообразные гомологи метана, поэтому меньше зависят от внешней среды по сравнению с другими микроорганизмами.  Они синтезируют ферментные системы, которые  ускоряют реакции окислительной биотрансформации органических соединений практически всех известных классов. 

Одним словом, технологические преимущества использования этой группы актинобактерий для создания биокатализаторов очевидны, но чтобы реализовать их биотехнологический потенциал, нужно решить некоторые фундаментальные проблемы.

Вот здесь на помощь нам приходят химики и физики. Уже не первый год мы сотрудничаем по проблемам биокатализа с коллегами из лаборатории биологически активных соединений Института технической химии Пермского НЦ УрО РАН во главе с кандидатом химических наук Викторией Викторовной Гришко.

Для  повышения стабильности микробных клеток ученые применяют известный прием — иммобилизацию. Методы закрепления родококков  различны: это и включение живых клеток в матрицу гелевых носителей, и адсорбционная иммобилизация на твердых носителях. В зависимости от того, в каких процессах будут «работать» биокатализаторы, в качестве носителей используются полимерные криогели, материалы на основе керамзита, графитизированного углерода, а также отходы деревообрабатывающего производства.

Химические методы необходимы нам для оценки стабильности биокатализаторов, того, как они выживают в агрессивных средах, например, в промышленных  сточных водах. Совместно с коллегами из Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН (Москва) мы разработали и запатентовали оригинальный метод повышения сродства поверхности адсорбентов с бактериальными клетками. Для этого были подобраны специальные гидрофобизаторы (гидрофобизация — это резкое снижение способности материала впитывать воду). В результате гидрофобной модификации адсорбентов удалось существенно улучшить эксплуатационные характеристики всей биокаталитической системы: увеличить адсорбционную емкость катализатора, его механическую прочность, стабильность, обеспечить надежную иммобилизацию клеток родококков  и их функциональную активность. 

В детальном изучении адгезивных (от лат. adhaesio — прилипание) свойств бактериальных клеток, а также физико-химических и биологических факторов, регулирующих адгезию, нам очень помогли специалисты Института механики сплошных сред Пермского НЦ УрО РАН. Повышением своей научной грамотности в области физических основ прочности мы обязаны прежде всего заведующему лабораторией ИМСС профессору Олегу Борисовичу Наймарку, который на наших семинарах очень мягко и терпеливо разъяснял нам, микробиологам, нелинейные проблемы физики и механики мезоскопических систем, основы адгезионных процессов в свете кинетики и термодинамики. 

Надо сказать, что по сравнению с медико-биологическими агентами адгезия родококков пока еще мало изучена. Объясняется это, во-первых, тем, что родококки, несмотря на их исключительную экологическую пластичность и способность в определенных условиях проявлять скрытую патогенность, не входят в список потенциальных инфекционных агентов. Во-вторых, на сегодняшний день это еще сравнительно новый объект биотехнологии. 

Благодаря сотрудничеству с коллегами из ИМСС впервые с использованием физических методов — профилометрии высокого разрешения и инфракрасного сканирования — мы исследовали кинетику и термодинамику адгезионного процесса, определили контролируемые условия монослойного распределения клеток родококков на твердом носителе, — а это обеспечивает высокую каталитическую активность закрепленных клеток, и получили лабораторные образцы катализаторов.

А теперь несколько слов о том, где «работают» биокатализаторы. Основные направления известны: получение новых веществ и материалов, биотехнологии защиты окружающей среды, создание лекарственных средств.

Алканотрофные родококки участвуют в биосинтезе целевых продуктов из углеводородного сырья, в частности, в получении биосурфактантов, биологически активных гликолипидов и, конечно, в биодеструкции углеводородных соединений и их производных, что крайне актуально для нефтегазопромыслов Пермского края. 

Наши биокатализаторы эффективны в процессах обработки сточных вод, утилизации непригодных к использованию лекарственных веществ, биотрансформации органических соединений и в производстве  биологически активных интермедиатов для фармацевтической промышленности. 

Достижения ученых ИЭГМ в области биологического восстановления загрязненных нефтепродуктами земель хорошо известны. Одна из последних наших разработок — биоремедиация нефтезагрязненной воды в колоночном биореакторе. В этом процессе в качестве биокатализатора выступала ассоциация родококков, адсорбированных на поверхности модифицированных древесных опилок. Наши эксперименты показали высокую жизнеспособность и функциональную стабильность иммобилизованных клеток родококков. Более того, после завершения цикла мы обнаружили, что дыхательная активность биокатализатора выросла в два раза, а значит, его можно использовать многократно. 

Процесс этот очень эффективный: после трехнедельной обработки воды ее загрязнение нефтью снижается на 77%. По основным технологическим параметрам разработанные биокатализаторы отвечают требованиям промышленной биотехнологии, а сырье для их изготовления — древесные опилки — в Пермском крае доступный и недорогой материал.

И еще одна разработка, призванная решить очень острую проблему, — экологически безопасная биотехнология утилизации фармацевтических отходов. В последнее время резко увеличилось фармацевтическое загрязнение экосистем из-за интенсивного развития соответствующей отрасли и роста потребления лекарств. Поистине эпидемические масштабы приобретает, например, применение парацетамола (фервекса): среднестатистический житель «съедает» за год трехлитровую банку этого препарата. Попаданию лекарств в экосистемы способствует и их использование в ветеринарии, на рыбоводческих фермах, а существующие методы утилизации (сжигание, смыв в канализацию, захоронение на свалках) не отвечают требованиям экологической безопасности. 

В результате в почве, в донных осадках, в поверхностных, сточных водах и даже в питьевой воде обнаруживаются фармацевтические вещества и их метаболиты. Фармполлютанты, которые отличаются высокой стабильностью, опасны тем, что оказывают биологический эффект. Последствия очень серьезные: развитие раковых клеток и нарушение функций работы почек у млекопитающих, снижение репродуктивной активности и иммунной системы у рыб. Поэтому так актуален поиск цивилизованных способов нейтрализации фармацевтических загрязнителей, в том числе биотехнологических. И снова приходят на помощь алканотрофные родококки. Используемые в качестве биокатализатора в биореакторе, они способны разрушать фармполлютанты, которые являются производными ароматических углеводородов и азотсодержащих соединений.