Синтетические биологи разрабатывают бактерии, которые будут питаться нефтью, пластиком и токсичными химикатами.
Людмила Аристильда всегда осознавала насколько тесно наше благополучие связано с окружающим миром. Выросшая на Гаити, она и ее семья пережили две вспышки холеры, вызванные зараженной водой. “Это был мой первый опыт осознания того, что загрязнение окружающей среды и здоровье человека взаимосвязаны”, - рассказывает она. “В то время я была очень молода, но понимала, что это серьезно”. В 12 лет она узнала, что некоторый ущерб окружающей среде можно возместить. Во время школьной экскурсии в горы над Порт-о-Пренсом Аристильде и ее одноклассникам рассказали о последствиях эрозии и они помогли посадить около 1000 саженцев на голой земле. “Это показало нам, что мы можем что-то сделать, чтобы обратить вспять экологические последствия наших действий”, - говорит Аристильда.
Сейчас она работает инженером-экологом, занимаясь разработкой способов снижения ущерба окружающей среде. Она является частью растущего сообщества биологов-синтетиков, использующих биотехнологические решения для борьбы с загрязнением окружающей среды - от микропластика и промышленных отходов до почв, насыщенных тяжелыми металлами или остатками взрывчатых веществ. Ученые делают это в основном с помощью микроорганизмов, адаптированных для выполнения определенных функций. Эти модифицированные микробы не только дают надежду на очистку окружающей среды, но и могут быть использованы в отраслях, где материалы используются как можно дольше - для повторного использования или извлечения ресурсов из потоков отходов.
“Теперь возможно то, что десять лет назад считалось невозможным”, - говорит Майкл Кепке, специалист по синтетической биологии из компании LanzaTech (США), которая преобразует промышленные отходы и выбросы в полезные материалы. “Эти технологии могут помочь нам, как обществу, перейти к циклической модели, при которой мы используем как можно больше отходов для производства топлива, химикатов и материалов”.
Хотя синтетическая биология предлагает потенциальное решение для борьбы с некоторыми из многих загрязняющих веществ, от которых страдает планета, исследователи говорят, что раскрытие ее истинного потенциала сдерживается опасениями по поводу попадания генетически модифицированных организмов в окружающую среду, а также отсутствием государственного финансирования и стимулов. Однако, по мнению многих специалистов, если эти проблемы будут преодолены, модифицированные микробы могут стать ключевыми партнерами, помогающими человечеству частично устранить тот беспорядок, который оно создало в воде, воздухе и почве Земли.
Идея использования микробов для решения экологических проблем не нова, говорит Виктор де Лоренцо, молекулярный микробиолог-эколог из Национального центра биотехнологии в Мадриде. “В конце 1980-х годов была большая шумиха по поводу использования искусственных бактерий для борьбы с загрязнением окружающей среды, разливами нефти и так далее”. Однако технологические препятствия и противодействие общества использованию генетически модифицированных организмов — в основном из—за опасений по поводу их воздействия на здоровье и окружающую среду - привели к тому, что первоначальные усилия были приостановлены, говорит де Лоренцо. “Мало-помалу люди, заинтересованные в этой области, перешли в другие, более перспективные области”, - добавляет он. “Эта отрасль исследований как бы застопорилась”.
В начале 2000-х годов достижения в области генетики и растущее осознание последствий изменения климата и загрязнения вызвали новый интерес к использованию микробов для биоремедиации (очистки загрязненной окружающей среды) и биопроизводства (получения полезных продуктов из потенциальных загрязнителей). По словам инженера-химика Хэла Альпера за последнее десятилетие “сочетание новых методов и подходов” открыло гораздо больше возможностей для создания искусственных микробов. Новые инструменты синтетической биологии, добавляет он, также позволили выйти за рамки Escherichia coli и "пекарских дрожжей" Saccharomyces cerevisiae - микробиологических рабочих лошадок лаборатории и оригинальных объектов синтетической биологии — и создать организмы, лучше приспособленные к конкретным условиям и метаболическим задачам.
Специалисты по синтетической биологии обычно не изобретают велосипед заново. Вместо этого они ищут в природе микроорганизмы, которые уже способны разлагать или утилизировать определенные загрязняющие вещества или сложные отходы, богатые углеродом. “Некоторые бактерии в процессе естественной эволюции учатся поедать эти соединения”, - поясняет де Лоренцо. Исследователи изучают эти природные организмы, чтобы понять биохимию, лежащую в основе их метаболизма, а затем используют эти знания для создания организмов, которые справляются с утилизацией отходов еще лучше. “Мы хотим, чтобы все происходило быстрее, эффективнее и в большем масштабе, чем это делают бактерии только для собственного выживания”, - говорит Аристильда. “Вот тут-то и вступает в действие синтетическая биология”.
Используя такие инструменты, как масс-спектрометрия высокого разрешения, которая идентифицирует химические вещества путем измерения их молекулярной массы, Аристильда и другие исследователи могут отслеживать судьбу специально помеченных молекул, когда микробы потребляют и переваривают их. Они изучают ферментативные процессы, происходящие в этих молекулярных продуктах, и выявляют узкие места. Это дает им представление о том, как естественные процессы могут быть улучшены в лабораторных условиях или перепрофилированы на новые функциональные возможности - подход, называемый рациональной инженерией.
Ученые могут вставлять гены из одного вида бактерий в другой, чтобы придать виду желаемый набор признаков, или же они могут синтезировать гены или даже целые бактериальные геномы, которые необходимы для конкретного применения. Технологии все еще далеки от того, чтобы создавать идеально оптимизированные микробы, но искусственный интеллект ускоряет продвижение к этой цели. Хунчжи Тан, специалист по синтетической биологии и экологической микробиологии из Шанхайского университета, говорит, что исследователи еще не идентифицировали микробные гены или ферменты, способные расщеплять все загрязняющие вещества. Однако, добавляет он, “искусственный интеллект будет очень полезен для разработки ферментов, поэтому я думаю, что мы скоро сможем решить эту проблему”.
В настоящее время ученые работают над созданием методов биоремедиации для решения целого ряда задач, включая очистку сточных вод, образующихся в процессе производства пищевых продуктов, и переработку промышленных газовых отходов. Например, Кепке и его коллеги потратили последние 20 лет на разработку микробов, которые превращают монооксид углерода и углекислый газ, выделяемые сталелитейными заводами, нефтеперерабатывающими заводами и сельскохозяйственными отходами, в этанол, который затем превращается в авиационное топливо и другие полезные материалы. По словам Кепке, технология LanzaTech в настоящее время внедрена на шести коммерческих заводах по всему миру, которые производят около 300 000 тонн этанола в год и позволяют избежать примерно полумиллиона тонн выбросов CO2.
Другие группы сосредоточены на очистке от загрязняющих веществ, которые уже попали в окружающую среду. Лаборатория Де Лоренцо, например, разрабатывает бактерии, которые разлагают нитроароматические соединения, являющимися распространенными компонентами взрывчатых веществ. “Они очень токсичны, а их химическая структура очень необычна”, - говорит он. При попадании в окружающую среду они разлагаются медленно и неполностью, часто превращаясь в другие токсичные промежуточные продукты. Растения, животные и микробы, вступающие с ними в контакт, могут оказывать острое токсическое воздействие, что приводит к долгосрочным проблемам с биоразнообразием, круговоротом питательных веществ и функционированием экосистемы в целом.
Инженерные решения, позволяющие избавиться от них, продолжает де Лоренцо, “могут качественно изменить ситуацию”. В исследовании, опубликованном в апреле, он и его коллеги сосредоточились на разложении 2,4-динитротолуола (ДНТ), побочного продукта производства тринитротолуола (ТНТ), который часто находят в почве вокруг бывших заводов по производству боеприпасов и в местах, где был взорван тротил. Де Лоренцо и его коллеги взяли гены у бактерий, которые естественным образом разлагают ДНТ, и перенесли их в Pseudomonas putida — вид, широко используемый в биотехнологии. Хотя первоначальный организм мог в определенной степени использовать ДНТ, он не выводил это соединение полностью и испытывал сильный стресс, пытаясь его переварить, рассказал де Лоренцо. Он и его коллеги позволили модифицированному P. putida развиваться в течение почти года в условиях, в которых ДНТ был единственным питательным источником, что привело к появлению уникального штамма бактерий с мутациями, которые сделали его оптимизированным для разложения ДНТ. По словам де Лоренцо, по сравнению с исходным штаммом, он разрушал ДНТ “быстрее и без стресса”, а также полностью удалял соединение в экспериментальных условиях. Он надеется, что подобные микробы в конечном итоге обеспечат то, что обширные участки земли в зонах боевых действий не будут опустошены в результате загрязнения.
Биоконверсия пластика, еще один инновационный этап, началась в 2016 году, когда инженер Казуми Хирага из Киотского технологического института в Японии и его коллеги обнаружили, что Ideonella sakaiensis, естественная бактерия, которую они обнаружили на пластиковых отходах рядом с предприятием по переработке отходов, выработала ферменты, позволяющие ей расщеплять полиэтилентерефталат (ПЭТ). Это открытие позволило предположить, что исследователи могли бы использовать это природное открытие в качестве отправной точки для создания микробов, которые будут более эффективно перерабатывать или очищать пластиковые отходы.
Однако в производстве пластмасс используется около 16 000 веществ, поэтому организмы и ферменты, способные расщеплять один полимер, не обязательно будут работать с другим. Например, Альпер и его коллеги начали с улучшения ферментов в бактериях, которые могут переваривать ПЭТ - относительно простой в расщеплении пластик, прежде чем перейти к более сложным. Альпер говорит, что к настоящему времени они добились значительного разложения полиэтилена и полипропилена — пластмасс, которые труднее усваиваются микробами, чем ПЭТ, из-за стабильности их углеродных связей.
Для некоторых лабораторий конечной целью является повышение эффективности инженерных микробов, предоставляя им возможность бороться с несколькими загрязнителями одновременно. В прошлом году Тан и его коллеги описали морскую бактерию, которую они создали с помощью генетически модифицированных кластеров генов. Штамм обладал способностью расщеплять пять углеводородов: бифенил, фенол, нафталин, дибензофуран и толуол. Тесты, которые они провели на промышленных сточных водах, морской воде и загрязненных солевых растворах, подтвердили, что организм преобразует загрязняющие вещества в несколько природных соединений, которые могут усваивать дикие бактерии. С момента публикации статьи Тан и его коллеги создали по меньшей мере еще 50 синтетических кластеров генов, предназначенных для расщепления различных токсикантов. По словам Тана, они успешно перенесли десять из этих кластеров в одну бактерию. “Моя цель - создать бактерии, способные разлагать все виды токсикантов”.
Несмотря на то, что некоторые модифицированные микробы уже используются в процессах ферментации и, в ограниченной степени, в окружающей среде, большинство из них по-прежнему используются только в лабораторных условиях. Масштабирование их применения для обеспечения безопасных и эффективных результатов в реальных условиях остается сложной задачей. Во-первых, микробы, выращенные в чашках Петри или биореакторе в оптимальных условиях, как правило, менее устойчивы, чем их дикие аналоги, поэтому им может быть трудно функционировать и выживать в неконтролируемой среде, обьясняет Леннарт Боржисковски, микробиолог из Лейденского университета в Нидерландах. Другая причина заключается в том, что специальные ферменты, для производства которых они разработаны, требуют больших энергетических затрат, что снижает жизнестойкость микробов.
Еще одним препятствием является поиск финансирования, необходимой для совершенствования и внедрения технологии. В отличие от некоторых биотехнологий, применяемых в создании передовых фармацевтических препаратов, частные компании не стремятся финансировать очистку окружающей среды. “Вы видите огромную социальную выгоду, но рыночная привлекательность очень мала”, - говорит де Лоренцо. Хотя перепрофилированные материалы потенциально могут приносить прибыль, в большинстве случаев биоремедиация по-прежнему неэффективна с точки зрения затрат, добавляет Кепке. Однако экономическая ситуация может измениться, если правительства внедрят нормативные стимулы, такие как налоговые льготы на улавливание углерода, или обязательства по использованию экологически чистого топлива и переработанного этанола из отходящих газов. “Такая политика создает стабильный спрос и ценовые надбавки”, - отмечает Кепке.
Законодательство, которое возлагает на загрязнителей ответственность за очистку окружающей среды, является еще одним способом поощрения использования решений, основанных на синтетической биологии. В целом, однако, “государственные структуры делают недостаточно для финансирования мероприятий по очистке окружающей среды”, - говорит де Лоренцо, и похоже это вряд ли изменится в ближайшее время. Соединенные Штаты, например, считаются мировым лидером в области биоремедиации, но администрация президента Дональда Трампа ослабила правила борьбы с загрязнением окружающей среды.
Прогрессу в Европейском союзе, напротив, препятствует то, что де Лоренцо называет чрезмерным вниманием к потенциальным рискам, связанным с попаданием искусственных микробов в окружающую среду. Эти ограничения отчасти вызваны опасениями, что искусственно созданные микробы могут начать питаться продуктами, которые не должны подвергаться разложению. Бактерии, созданные, например, для расщепления пластиковых отходов, могут стать “микробными термитами” для пластиковых конструкций. Чтобы обойти это, некоторые исследователи разрабатывают методы сдерживания — например, создают микробы, способные расти только при наличии определенных молекул, или синтетические геномы, включающие изменения в генетический код, которые не позволили бы организму долго выживать в окружающей среде.
Другие исследователи полагают, что это излишнее беспокойство. Сконструированные микробы могут оказаться слишком слабыми для широкого распостранения. “Большинство людей не задаются вопросом, способны ли они вообще выжить в природе в течение достаточно ограниченного времени?” Де Лренцо добавляет, что нерешительность правительств в отношении использования биоремедиации иронична, поскольку люди несут ответственность за огромное количество загрязнений, выбрасываемых в окружающую среду, для устранения которых разработаны модифицированные организмы. “Никто не задавался вопросом, можно ли строить нефтяные вышки в океане, даже несмотря на высокий риск разливов”, - говорит он.
Однако в целом во всем мире политика отстает от науки. “Эти технологии могут обеспечить решение ряда проблем, с которыми мы сталкиваемся, но для того, чтобы любая технология была успешной, она должна соответствовать этическим нормам”, - говорит Варша Палери, биолог из Университета Антверпена в Бельгии, которая изучает этику синтетической биологии. “Одной из самых больших проблем на данный момент является недостаточное регулирование, поскольку государственные органы не успевают за темпами развития технологий”.
Де Лоренцо предполагает, что изменение культурного мировоззрения также может во многом помочь обществу использовать потенциал синтетической биологии. По его мнению, вместо того, чтобы думать о искусственных микробах как о “рисках, которые необходимо контролировать”, мы должны рассматривать их как “союзников в решении важных проблем” и “пробиотиков для деградирующих экосистем”. Некоторые страны уже придерживаются такого подхода. Он указывает на Японию, которая уже давно рассматривает микробы как мощных партнеров в области биотехнологий. Аристильда согласна с тем, что потенциальная польза бактерий и других микробов для биотехнологии могла бы быть огромной, если бы мир воспринял эту идею. “Мы только начали использовать экстраординарные возможности этих крошечных существ”, - говорит она. - Они действительно могут помочь нам разработать устойчивые, этичные, экологичные решения для превращения потоков отходов в ценные материалы”.
