Цифровой журнал «Компьютерра» № 60

Оказалось, в мире существуют бактерии, которые способны очень эффективно играть роль продуцентов такого водорода. Но сами по себе эти бактерии, относящиеся к роду Rhodobacter, производят водород в крайне малых количествах. Он бывает им нужен только для того, чтобы избавиться от лишних восстановительных эквивалентов в метаболических путях. Способом такого избавления как раз и служит выработка водорода. А вообще жизнедеятельность этих микроорганизмов с водородом никак не связана.

Благодаря чрезвычайно разнообразному метаболизму даже для бактериального мира они с лёгкостью приспосабливаются к радикальным изменениям в условиях существования, погубить их довольно сложно. Эти бактерии являются фотосинтезирующими клетками, но стоит выключить свет, и они спокойно живут дальше. Им нужен кислород, но они комфортно чувствуют себя и в анаэробных условиях. Другими словами, в этих клетках заложен огромный «биохимический потенциал», и те или иные метаболические пути вступают в игру в зависимости от того, что с этой клеткой происходит.

При таком разнообразии метаболических путей попытки заставить данные клетки производить водород, подбирая внешние условия их существования, не очень конструктивны. Вы меняете внешние условия, а бактерии без труда подстраиваются под них и продолжают «гнуть свою линию».

Вот тут и начинается работа, которая стала достаточно рутинной в современной генетике, или геномике, как её правильнее было бы назвать, — работа, связанная с генной инженерией. Её смысл сводится к выключению отдельных генов, приводящему к отключению отдельных биохимических реакций внутри клетки. Если всё сделано верно, то бактериальной клетке ничего не остаётся, как синтезировать водород. Другими словами, основная идея состоит в отключении максимального числа реакций, которые препятствуют выработке водорода данной клеткой.

Если нам удалось это сделать, то стоит пойти дальше и добавить этой бактерии геномный материал, который ещё больше увеличит скорость производства водорода. Тут есть два пути: либо сделать копии уже существующих генов, которые нужны для производства водорода, либо включить в геном данной бактерии отдельные гены или регуляторные участки из геномов других бактерий.

Оказывается, что и к ним тоже есть два подхода. Один – скорее эмпирический. Мы знаем, что это за бактерии — их изучением занимается десяток научных лабораторий в Америке, Германии, Японии и России. Мы знаем, как устроена биохимия именно этих клеток, да и вообще неплохо представляем себе биохимию микроорганизмов. На уровне наших качественных представлений можно попытаться выполнить необходимые генные манипуляции и посмотреть, что получится.

Другой подход набирает силу в последние пять-семь лет, особенно на Западе. Это скрупулёзное моделирование процессов, происходящих в бактериальной клетке, причём моделирование не только собственно биохимических реакций, но и регуляции, затрагивающей уровень генома. На основании такого моделирования можно попробовать точно предсказать, к чему приведёт включение и выключение конкретных генов, а также увеличение числа их копий и добавление генов из других бактерий. В идеале мы могли бы точно сказать, сколько водорода такие модифицированные клетки (мутанты) будут производить, например, на один грамм сухой массы.

Вот таким моделирование мы и занимаемся в нашей группе биоинформатики, геномики и системной биологии на физическом факультете МГУ. А дорогую инструментальную часть, связанную с генными манипуляциями и созданием мутантных штаммов, выполняют наши коллеги в Университете штата Вайоминг (США).

Мы продуктивно работаем в этом направлении уже года три. Уже созданы мутанты, то есть бактерии рода Rhodobacter с модифицированным геномом, которые производят в три раза больше водорода, чем дикий тип. Согласитесь, троекратное увеличение — это результат, это не десять процентов. И всё же до промышленных объёмов ещё очень далеко. Хотелось бы, чтобы производство водорода этими бактериями выросло хотя бы на порядок, а лучше – ещё больше.

Ещё одна задача: как этим бактериям обеспечить среду существования? Одно дело, когда всё делают в пробирке — но это никому не интересно. Другое — когда производство биоводорода ставят на промышленную основу. Можно ли бактериальные колонии размножить в таких количествах, чтобы производство стало выгодным? Сразу возникает вопрос о том, чем же эти бактерии кормить, потому что кормить их всё-таки надо. К счастью, они могут питаться отходами жизнедеятельности человека — всякими отбросами, органическими отходами. И тогда задача становится перспективной уже и с технологической точки зрения.

- Органический мусор?

- Да. Тоже не всяким, мусор надо подбирать и сортировать, но так бы его просто выкидывали, а тут выясняется, что из него — при определённых опять же условиях — можно сделать водород.