Про целлюлозу, биотопливо и коровий желудок

Großansicht des Bildes mit der Bildunterschrift:

Проблема биотоплива была бы давно решена, если бы дрожжи могли расщеплять целлюлозу. Поскольку это не так, ученые вынуждены искать альтернативные технологии. Большие надежды они возлагают на синтетическую биологию.

 

У всех высших растений на нашей планете оболочки клеток состоят главным образом из целлюлозы. В химическом отношении целлюлоза, она же клетчатка, представляет собой биополимер, высокомолекулярный углевод, полисахарид, молекулы которого образованы длинными, соединенными друг с другом множеством водородных связей линейными цепочками из сотен или даже тысяч остатков глюкозы. Целлюлоза буквально напрашивается в качестве сырья для биотоплива, поскольку сельскохозяйственное производство дает из года в год сотни тысяч, а то и миллионы тонн растительных отходов, которые состоят практически из чистой клетчатки. Проблема лишь в том, что целлюлоза плохо поддается расщеплению.

Вильфрид Вебер (Wilfried Weber), профессор Центра по изучению биологических сигнальных процессов (BIOSS) при Фрайбургском университете, говорит: "Если вы собираетесь производить биотопливо не из продовольственного сырья вроде кукурузы, пальмового масла и так далее, то оптимальной альтернативой представляются трава и солома как отход сельского хозяйства, а также древесина. Но с этими видами сырья связана одна проблема: главный энергоноситель в них - целлюлоза. А переработать целлюлозу в жидкое топливо, пригодное, скажем, для заправки автомобиля, очень непросто".

Термиты как альтернатива дрожжам

Во всяком случае, дрожжи, легко осуществляющие спиртовое брожение простых сахаров, с целлюлозой не справляются. Поэтому ученые разных стран активно ищут альтернативные процессы и технологии. Особенно активно работают в этом направлении американцы и немцы. Американский микробиолог, профессор Гари Строубел (Gary Strobel) из университета штата Монтана в Боузмене - изучает обнаруженный в Чили симбиотический гриб Gliocladium roseum, способный расщеплять целлюлозу с образованием этана и других летучих углеводородов;  другой - профессор Джаред Ледбеттер (Jared R. Leadbetter) из Калифорнийского технологического института в Пасадене - исследует кишечную микрофлору обитающих в Коста-Рике термитов рода Nasutitermes, способных за считанные месяцы полностью переварить деревянный дом вместе с мебелью.

А специалисты Объединенного института геномных исследований в Уолнат-Крике, штат Калифорния, обратились к крупному рогатому скоту. Ведь хотя жвачные животные - так же, как и люди, - не обладают собственными ферментами, способными расщеплять целлюлозу, они, тем не менее, прекрасно обходятся в качестве корма травой и сеном, то есть практически чистой клетчаткой, и умудряются усваивать её так, что она вполне удовлетворяет их энергетические потребности.

Метагеномный анализ коровьего желудка

Очевидно, все дело тут в микрофлоре пищеварительного тракта. Именно это и побудило калифорнийских ученых произвести так называемый метагеномный анализ микроорганизмов, населяющих коровий желудок, то есть секвенировать все имеющиеся там нуклеиновые кислоты в надежде обнаружить гены, причастные к расщеплению клетчатки. В общей сложности исследователи идентифицировали в коровьем желудке почти 30 тысяч биомолекул. Теперь ученые надеются, что процессы, происходящие в желудке коровы, удастся воспроизвести в искусственных условиях - сначала в лаборатории, а потом и в крупных промышленных установках по производству биоэтанола. Во всяком случае, это отвечало бы представлениям так называемой синтетической биологии, которая видит свою задачу в том, чтобы по-новому скомбинировать отдельные природные элементы.

Журналисты любят сравнивать такой подход со сборкой самых разных изделий и сооружений из стандартных кирпичиков конструктора Lego. Но на самом деле не все так просто, - говорит Вильфрид Вебер: "До такой легоподобной биологии нам пока, к сожалению, еще очень далеко. Это связано с тем, что биологические компоненты гораздо хуже поддаются стандартизации или переносу из одной среды в другую, чем кирпичики лего или, скажем, электронные компоненты".

Легоподобные биокомпоненты

Ключевую роль в современной синтетической биологии играет база данных в Массачусетском технологическом институте в Кеймбридже близ Бостона. Эта база содержит информацию обо всех имеющихся в наличии биокомпонентах. Их можно заказать, как книги или одежду по каталогу посылторга. Впрочем, и тут есть проблемы. Вильфрид Вебер: "На сегодняшний день этот каталог MIT содержит более 3,5 тысяч биологических компонентов - в основном генов. Это очень ценный ресурс, позволяющий получить все необходимые фрагменты ДНК. К сожалению, описание этих фрагментов часто оставляет желать лучшего. Нам уже не раз доводилось испытывать разочарование, когда мы заказывали там определенные компоненты и получали совсем не то, что указывалось в описании. То есть система контроля качества там пока не на высоте". Но это, конечно, ни в коей мере не ставит под сомнение перспективы синтетической биологии.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман