Татьяна Глухарева и Федор Бровко о новых подходах для развития агробиотехнологий и устойчивого сельского хозяйства

Татьяна Глухарева: «Создание и выход на рынок методов переработки отходов — ключевые условия успеха биоэкономики»

В эпоху глобальных экологических и ресурсных вызовов особую актуальность приобретают подходы биоэкономики, позволяющие совместить экономический рост с бережным отношением к природе. Развитие этого направления во многом определяется прогрессом в области биотехнологий. Биотехнологии — это мотор биоэкономики. С помощью биологических инструментов можно преобразовывать возобновляемые ресурсы и отходы в продукцию, нужную человеку. Биотехнологии сегодня развиваются стремительными темпами, становятся ключевым драйвером инноваций в самых разных отраслях: медицине, фармацевтике, сельском хозяйстве, пищевом производстве. Все это существенно трансформировало подходы к переработке возобновляемого сырья и отходов, предложив экологичные и экономически эффективные альтернативы традиционным методам.

Один из современных методов — биовалоризация. Это переработка отходов или побочных продуктов производства в ценные для человека товары с использованием биологических процессов. Метод способствует рациональному использованию ресурсов, снижению нагрузки на окружающую среду и созданию продуктов с добавленной стоимостью.

Коллектив научной группы. Источник: Олег Ельцов

Отходы агропромышленного комплекса и пищевой промышленности — наиболее перспективные виды сырья для биовалоризации. Это связано с большим объемом их производства, биологическим происхождением и богатым химическим составом. Классическими и наиболее масштабными примерами, показывающими принципы биовалоризации отходов и побочных продуктов, остаются технологии получения биоэтанола и биогаза. Однако, если раньше внимание специалистов было сосредоточено преимущественно на экологическом аспекте биопереработки, то сегодня решающим фактором становится экономическая целесообразность. 

Наука играет ключевую роль в разработке технологий биовалоризации. Фундаментальные открытия, раскрывающие биохимические механизмы (ферменты, метаболические пути), позволяющие перерабатывать отходы, оказывают значительное влияние на прогресс в этой области. Прикладные научные решения используют эти знания для получения ценных продуктов: вермикультур, удобрений, кормов, кормовых добавок и других. 

Сегодня наука ищет инновационные решения для роста экономической эффективности технологий и получения продуктов, обладающих устойчивой рыночной востребованностью и повышенной добавочной стоимостью. Например, производство загустителя, стабилизатора и эмульгатора — ксантановой камеди — из картофельных отходов приносит примерно на 78% больше дохода, чем производство этанола с использованием того же субстрата.

Наши исследования нацелены на разработку новых методов получения биологически активных веществ и пищевых добавок с применением методов биовалоризации отходов агропромышленного комплекса и пищевой промышленности. При выборе отходов мы ориентировались на доступные в России ресурсы, требующие уничтожения в масштабных объемах. Выбор был сделан в пользу молочной сыворотки, пивоваренной дробины и отходов переработки сои — соевой мелассы и соевой пульпы (окары). Соевые отходы, на наш взгляд, будут иметь особую значимость в будущем в связи со стремительным ростом и развитием сферы переработки сои.

Мы выделили два основных направления исследований: микробную переработку органических отходов в наукоемкие продукты с высокой добавочной стоимостью, а также комплексную переработку с получением сразу нескольких востребованных видов продукции.

В фокусе наших исследований — новые технологии биовалоризации отходов в следующие продукты: ксантановая камедь, дрожжевой и растительный бета-глюканы, полисахариды молочнокислых бактерий, астаксантин, гиббереллины, изофлавоноиды и другие.

Например, ксантановая камедь, или ксантан, привлекает к себе все больше внимания благодаря широкому спектру применений в различных отраслях: добыче нефти, фармацевтике, тканевой инженерии и особенно в пищевой промышленности. Главной проблемой производства этого дорогостоящего и востребованного продукта выступает высокая себестоимость, которая в значительной степени (более 70%) обусловлена стоимостью сырья. В связи с этим ведется активный поиск дешевых источников питательных веществ для бактерий, продуцирующих ксантан.

В рамках проекта, поддержанного РНФ, мы разработали стратегию биовалоризации окары, позволяющую получать ксантановую камедь с выходом примерно в три раза выше, чем при использовании традиционного способа производства. 

Слева – колбы с питательными средами для культивирования микроорганизмов. Источник: Маргарита Лавренко. Справа – Биореактор. Процесс культивирования бактерий Xantomonas campestris на питательной среде с окарой для получения ксантановой камеди. Источник: Михаил Пирогов

Сегодня ксантановая камедь и другие продукты, над которыми мы работаем, в основном ввозятся в Россию, поэтому курс на снижение импортной зависимости открывает возможности для запуска их собственного производства с помощью биотехнологий и переработки отходов.

Создание и выход на рынок методов переработки отходов — ключевые условия успеха биоэкономики. Мировые тренды указывают на то, что в ближайшем будущем стоит ожидать масштабного внедрения технологий биовалоризации на предприятиях, поддерживающих экономику замкнутого цикла. Данный подход обеспечивает баланс между экономической эффективностью и экологической ответственностью, создавая устойчивую модель развития для будущих поколений.

Федор Бровко: «Всестороннее изучение микробиома коровьего молока позволит создать эффективные вакцины от возбудителей мастита»

Молоко и получаемые из него продукты питания играют важнейшую роль в жизни людей. Заболевания коров, в частности мастит, наносят значительный ущерб сельскому хозяйству. Даже в странах с высоким уровнем животноводства уровень потерь от заболевания маститом составляет около 200 евро на животное. Неудивительно, что на протяжении всей истории люди пытались выяснить причины болезни и разработать возможные методы ее предупреждения и лечения.

С развитием науки на первый план вышли методы клеточной микробиологии, когда из молока больных животных удалось выделить отдельные микроорганизмы и оценить их влияние на здоровье. В молоке присутствуют микроорганизмы, которые можно культивировать, а также микроорганизмы, не растущие в обычных условиях. Подходы клеточной микробиологии позволяли определить наличие только первой группы. Развитие методов анализа ДНК и технологий секвенирования помогает выявить все присутствующие в молоке микроорганизмы, а биоинформационный анализ — отнести к определенному семейству.

Исполнители проекта в лаборатории выделяют мастит-ассоциированные микроорганизмы. Источник: авторы исследования

Знания о присутствии или отсутствии конкретных микроорганизмов недостаточны для реконструкции процессов их функционирования и взаимодействия с хозяином (в данном случае — коровой и ее молочной железой). Для изучения механизмов взаимодействия микроорганизма с хозяином и его иммунной системой необходимо выделить микроорганизм, установить последовательность его генома и мобильных генетических элементов, создать модели взаимодействия с хозяином. Дополнительно требуется выявить присутствующие в молоке микроорганизмы, оценить наличие потенциальных возбудителей заболеваний, выделить эти микроорганизмы и провести их комплексное исследование.

Микробиота человека и животных включает и полезные микроорганизмы, которые препятствуют размножению патогенов, выделяя различные регуляторы, — например биоцины. Чтобы найти причины болезни и создать условия для снижения заболеваемости, важно комплексно исследовать микробиоту, включающую как патогенные, так и непатогенные микроорганизмы, определить параметры их чувствительности к антибиотикам и предусмотреть появление суперустойчивых образцов.

Исследования микробиома и метагенома животных активно ведутся практически во всех странах мира на высоком научном уровне. На заболеваемость животных оказывают влияние такие факторы, как качество содержания и кормления, регионально-географический фактор. Среда обитания животных в южных и западных регионах страны существенно отличается от Дальневосточного региона или Камчатского края, изолированного морями и океаном.

В рамках проекта, поддержанного грантом РНФ, мы проводим сравнительные исследования микробиоты животных, больных маститом, на территории практически всей страны. Это поможет выявить как наиболее характерные для мастита патогены, так и предполагаемые протекторы. Также наш коллектив планирует изучить, какие микроорганизмы связаны с развитием мастита в конкретных регионах России, насколько они опасны с точки зрения выработки токсинов и устойчивости к антибиотикам. Кроме того, важны и факторы адгезии микроорганизмов, обеспечивающие взаимодействие с тканями и способствующие заболеванию.

Проект выполняется на базе лаборатории микробиологии Федерального исследовательского центра животноводства — ВИЖ имени академика Л. К. Эрнста высококвалифицированными специалистами в области микробиологии, здоровья и продуктивности животных. Научный коллектив объединяет опытных исследователей и перспективных молодых ученых, активно участвующих в исследовательском процессе.

Группа получила интересные результаты. С применением микробиомного анализа были выявлены животные, в микробиоте которых доминируют сообщества с преобладанием одного‑двух видов микроорганизмов — в отдельных случаях их доля достигает 99–100%. Далее мы планируем выяснить, за счет каких свойств они добились доминирования и вытеснили другие микроорганизмы из среды обитания, молока.

Участник научной группы в лаборатории оценивает рост культуры микроорганизмов. Источник: авторы исследования

Сейчас мы выделяем чистые бактериальные культуры, проводим геномные и функциональные исследования. Важно не просто расшифровать геномы, но и понять принципы их функционирования, а также факторы, определяющие их доминирование в составе микробных сообществ. Активный инфекционный процесс определяется тем, как микроорганизмы могут взаимодействовать с клетками на поверхности органов, вырабатывать токсины, разрушающие барьерный слой клеток, и осуществлять заражение. 

В процессе работы мы установили, что даже если у микроорганизма присутствуют гены токсинов, это вовсе не означает, что они будут продуцироваться. Поэтому для определения заразности важно разработать методы и научиться определять именно микроорганизмы-продуценты токсинов, так как именно они являются причиной заболеваний. Установление доминантных для региона микроорганизмов позволит разработать тесты для диагностики мастита. Вероятно, они будут иметь региональное применение и позволят сконцентрировать усилия на решении реальной проблемы. Знание конкретных микроорганизмов, выступающих возбудителями мастита, позволит разработать вакцины, целенаправленно ориентированные на эти патогены.