Д.А. Габриелян дал интервью о биотехнологии микроводорослей организаторам ежегодной Международной конференции по индустриальной биотехнологии BIOCON

1 сентября 2024

Ссылка на источник в социальных сетях BIOCON: https://vk.com/@-221897115-biotech-intervu-s-davidom-gabrielyanom

Орфография и пунктуация авторов материала сохранены.

BioTech-интервью с Давидом Габриеляном

Давид Габриелян — старший научный сотрудник ИФР РАН им. К.А. Тимирязева, заведующий лабораторией и эксперт в области биотехнологии микроводорослей. На BIOCON 2023 он выступал с темой: «Intensive cultivation of microalgae and cyanobacteria in closed flat-panel photobioreactors for production of valuable biomass».

Тема биотехнологии микроводорослей всерьез заинтересовала нашу редакцию, поэтому в преддверии предстоящей конференции BIOCON, мы встретились с Давидом, чтобы задать несколько вопросов.

— Мы провели анализ компаний, которые занимаются биотехнологией микроводорослей и пришли к нескольким выводам. Во-первых, исследование микроводорослей началось еще в 60х годах прошлого века. Во-вторых, большинство компаний, работающих в этой отрасли появились в период с 1980 по 2010 годы. Отсюда вопрос: почему исследования ведутся уже длительное время, но отрасль начала привлекать к себе внимание только в последние несколько лет — так ли это и если так, то чем вызвана популярность?

— Да, все верно. Технологиям культивирования микроводорослей уже достаточно много лет. К примеру, наш институт (ИФР РАН им.К.А. Тимирязева) занимается физиологией растений более 135 лет, а вопросами биотехнологии микроводорослей и массового их культивирования с 70ых прошлого столетия — на заре космонавтики. Сегодня мы на новом витке развития. Как всегда это обусловлено множеством факторов. Прежде хочу отметить влияние бурного развития техники и автоматики. Переход на светодиодные источники света для систем с искусственным освещением; возможность более точного контроля и управления промышленными процессами; быстрый анализ экспериментальных данных мощными компьютерами и выявления неочевидных корреляций повышающих эффективность производства — все это здорово подстегивает и развивает отрасль, привлекая внимание бизнеса и производства. Другим важным фактором является постоянное накопление новых данных и технологий. С каждым годом мы узнаем о новых видах и штаммах микроводорослей и цианобактерий, открываем новые способы и технологии накопления и получения ценных биологически активных соединений. Эта постоянно растущая база рождает новые точки интереса для промышленности. Кроме того, экологическая повестка создает общий вектор для решения проблем загрязнения воздуха,воды и дефицита продовольственных продуктов, что требует развития природопободных технологий, которым безусловно является биотехнология микроводорослей и цианобактерий.

— Расскажите, в чем отличие микроводорослей от обычных? И в чем преимущество и универсальность микроводорослей?

— Вы имеете в виду от макроводорослей? Здесь ответ кроется в самих приставках. Соответственно, микро-, микроскопический, не видимый невооруженным глазом, и, макро-, большой, что мы можем без труда разглядеть. Сами водоросли очень разнообразная группа. Здесь виды из различных эволюционных уровней и имеют разное происхождение, особенности в биохимии и сильное различие в морфологии. В этом плане можно найти множество отличий. Однако все они способны к фотосинтезу (некоторые способны к гетеротрофному питанию), не имеют или практически не имеют органов и тканей, в отличии от высших растений. Микроводоросли, будучи одноклеточными, крайне пластичны к внешнему воздействию. В этом и преимущество и универсальность. Можно, к примеру, используя один штамм микроводоросли получать различные составы клетки, скажем по БЖУ или липидам, в зависимости от условий культивирования и при этом добиваться рекордных для растительного мира скоростей роста и набора биомассы.

— Откуда берутся микроводоросли: образцы собирают в природе и потом размножают в лабораториях или изначально водоросли выводят искусственного?

— Прежде всего из природы. Ученые в экспедициях, натуралисты и походники, все с радостью несут пробы из доступных и не очень природных объектов: лужи, озера, реки, моря. Существует множество коллекций куда депонируются находки со всего мира. Даже у вас под носом, в ближайшем пруду, могут быть еще не изученные штаммы тех или иных микроводорослей. Каждый такой образец это смесь из микроорганизмов. Крайне сложно выделить из этого «бульона» чистую культуру, чтобы потом ее детально изучить. Этим и занимаются лаборатории при коллекциях. Кроме того, техногенное воздействие, подобно воздействию экстремальных природных зон, активно влияет на изменения и селекцию штаммов в конкретной географической точке. В городских водах могут быть найдены штаммы приспособленные к жизни в конкретно этом водном канале или пруду. Искусственное ли это выведение? Или в водах около гейзера мы найдем экстремофилов, приспособленных к жизни при повышенных температурах. Вместе с этим, идет поиск наилучших продуцентов полезных нам веществ. В ход идет и генная инженерия, которая способна настроить внутренние механизмы и биохимию клетки и получить новые поколения микроводорослей с заданными свойствами.

— Какими проектами занимаетесь сейчас Вы и ваша лаборатория? Кто в России еще занимается этим? Есть ли проекты, заслуживающие внимания?

— Есть основная деятельность и проектная. Под основной я подразумеваю серийные эксперименты по масштабированию потенциально полезных штаммов микроводорослей и цианобактерий из нашей коллекции IPPAS. Переход из лабораторных сосудов в большие объемы с выходом на опытное производство требует множества доработок и уточнений по техническим вопросам, условиям культивирования и методам контроля и управления процессами, в том числе сбора биомассы. Из проектов на текущий момент мы сфокусированы на отработке технологии получения полезных продуктов из уникального штамма Neochlorella semenkoi C-1210 IPPAS, названного в честь основателя направления в ИФР РАН Семененко Виктора Ефимовича. Изучаем как и чем могут быть полезны не только продукты на основе биомассы микроводорослей, но и вторичные продукты полученные в ходе культивирования, к примеру, супернатант (отделенная от клеток жидкость). Параллельно разбираемся с эффективностью поглощения и утилизации СО2 техногенного характера, к примеру, выбросы с ТЭЦ и других предприятий. А также проводим поисковые эксперименты в вопросах сочетания и комбинации микроводорослей с другими организмами: с высшими растениями, с насекомыми. К слову, не так давно продукты из некоторых насекомых (сверчок, зофобас, черная львинка и др.) признаны пищевыми добавками. В России большое количество научных групп, альгологов и биотехнологов, которые занимаются фотосинтезирующими микроорганизмами и развивают это направление. Это и научные институты РАН (к примеру, ФИЦ ПНЦБИ, ФИЦ ИнБЮМ, ОИВТ и др.) и крупные вузы (МГУ, МФТИ, ТГУ им. Державина и др.) и частные компании и проекты (к примеру, 435 нм). Сложно в одном интервью рассказать о всех, но безусловно, все они достойны внимания. Я думаю, что в ближайшие пару лет мы все услышим об их проектах.

— Ваш доклад был посвящен культивированию микроводорослей в фотобиореакторах. Расскажите подробнее что такое фотобиореактор, как он облегчает/улучшает производство, легко ли достать это оборудование сейчас?

— Да, мой доклад во многом был посвящен фотобиореакторам как инструменту для промышленного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Фотобиореактор это собственно биотехническая система, позволяющая контролировать и управлять параметрами культуры, интенсифицировать ее рост. Основной задачей ФБР (такое сокращение) это поддержание и управление заданными условиями культивирования. Что это за условия? Уровни освещения, температуры, интенсивность перемешивания суспензии и подачи газо-воздушной смеси, концентрация веществ в газовой среде и в суспензии в растворенном виде, кислотность и др. Каждый такой параметр требует своих датчиков и систем анализа, связанных с управляющими органами. Таким образом, ФБР это установка, техническое изделие, которое может быть различной сложности. Может быть оснащено всеми возможными датчиками, сложными «мозгами» для обработки данных и управления процессами, а может быть очень простым, с минимальными узлами и без автоматики вовсе. Вы можете легко найти по запросу «фотобиореактор» множество различных форм, геометрий, размеров и исполнений. В отличии от природных объектов или искусственных прудов и резервуаров, где могут культивироваться микроорганизмы, ФБР позволяет существенно интенсифицировать, ускорить рост микроводорослей, вывести концентрацию клеток до рекордных значений. С их помощью можно нарабатывать биомассу высокой чистоты, скажем, для нужд фармацевтики и косметологии, для медицины и пищевой отрасли. Но эти достижения и возможность производства высококачественных продуктов требуют весомых вложений. Чем сложнее техника тем она, конечно, дороже. Достать это оборудование возможно. Готовые, фирменные ФБР дорогое удовольствие. Можно приобрести в компаниях, которые поставляют лабораторное оборудования, есть европейские и китайские модели. Мы сами для себя проектируем и собираем такие системы. Так мы оснастили свои лаборатории реакторами различного объема: от нескольких литров до сотен. Мы стремимся не потерять в производительности реакторов и при этом существенно снизить их стоимость по сравнению с зарубежными моделями.

— Не так давно французский стартап производству мяса из микроводорослей Edonia привлек инвестиций на сумму 2.000.000 EUR. Возможно ли производить пищевые продукты из микроводорослей и есть ли подобные технологии в России?

— Некоторая подмена понятий случилась. Не мясо из микроводорослей — а белок, который есть как в мясе, так и в микроводорослях в большом содержании. Здесь идет речь о получении протеина из микроводорослей, который может побороться за место с мясным в вашем рационе. Да, вполне понятные технологии. И в России безусловно знают о них. Это отработанные на предприятиях пищевые технологии. Задача со стороны микроводорослей сводится к их непосредственному культивированию и наработке достаточного количества биомассы тех штаммов, которые содержат больше белка. Кроме белковых добавок из микроводорослей активно получают, к примеру, липиды и жирные кислоты. Всеми известный «рыбий жир», омега-3, омега-6 добавки, это все из микроводорослей добывается напрямую или через пищевые цепи. Мы, я говорю по ИФР РАН, прорабатываем проекты с ФНЦ Пищевых систем им. В.Н. Горбатова РАН для получения таких пищевых продуктов, будь-то БАДы, натуральные красители или масла.

— Еще одна тема, которая привлекла наше внимание — производство биопластика из зеленых микроводорослей. Как вы думаете есть ли будущее у производства биопластика из водорослей? этой инициативы и если да, то как скоро мы сможем увидеть на полках магазинов товары в упаковке из биопластика?

— Я тему с биопластиком знаю плохо. Здесь в работе идет речь о макроводоросли. Авторы предлагают использовать целиком водоросль, которая в воде растет как сорняк. Это хорошая мысль с точки зрения уже наличия этого ресурса. Касательно микроводорослей думаю, что получить компоненты для дальнейшего производства такого разлагаемого со временем пластика возможно, но все утыкается в объемы производства этого сырья из микроводорослей. С этой задачей куда быстрее справляются бактерии, которые растут гетеротрофно, т.е. без освещения. Но последним требуется пища в виде сахаров, углеводов. Тут как раз могут помочь микроводоросли, ряд из которых при культивировании нарабатывает большое количество питательных для бактерий соединений, а также поглощает, углекислоту которую вырабатывают бактерии. Такой тандем возможен. Но опять, задача сводится к калибровке этих двух без того сложных биотехнических систем. За биопластиком будущее. Слишком заметным стало воздействие пластика на окружающую среду, которую мы безусловно должны беречь.

— Мы нашли несколько исследований, посвященных получению биотоплива и материалов из микроводорослей. Американский стартап — создает решения по удалению углерода из сточных вод за небольшую стоимость по сравнению с прямым улавливанием воздуха. Турецкий — занимается производством биотоплива и химикатов из микроводорослей путем фиксации CO2 и очистки сточных вод. Объясните как посредством очистки воды с помощью микроводорослей получается биотопливо или биоматериалы?

— Таких проектов с каждым годом все больше. Как любому растению нужна питательная среда, богатая соединениями азота, фосфора и микроэлементами, так и микроводорослям она требуется для роста и деления. В сточных водах, в которых присутствуют органические отходы, много того, чем микроводоросли бы поживились, способствуя очищению этой воды. Вместе с этим они растут и в определенной комбинации условий, способны накапливать липиды, которые при должной обработке можно преобразовать в биотопливо. Так, к примеру, на очистительных предприятиях устанавливают биологическую ступень очистки, где как правило используется активный ил в аэротенках. Активный ил представляет собой консорциум бактерий, микроскопических животных и микроводорослей, каждая группа поедает, то что любит, очищая таким образом воду от органики. Кроме того, микроводоросли способны захватывать из сточных вод и тяжелые металлы.

— Какие у вас планы на будущее по развитию проектов и лаборатории?

— Планов как всегда много. Рук не хватает! О многих наших проектах я уже сказал. Их мы будем дальше развивать и подключать сюда больше сотрудников и заинтересованных лиц. Могу еще отметить, что мы нацелены на создание научно-производственного (опытного) комплекса для производства различных продуктов из микроводорослей и цианобактерий. Прежде всего пищевых продуктов и удобрений. На таком НПК мы сможем не только отрабатывать полупромышленные и в перспективе промышленные технологии получения сырья и продуктов из микроводорослей, но и непосредственно выходит на рынок с готовыми продуктами. А также в планах доработать существующую у нас линейку фотобиореакторных систем для внешних заказов НИР и НИОКР.