Сибирский федеральный университет

Потребность в новых полимерных материалах, способных разлагаться, диктуется глобальными экологическими проблемами, связанными с накоплением в природной среде синтетических не разрушаемых пластиков. К перспективным полимерным материалам XXI века относятся разрушаемые термопластики, синтезируемые микроорганизмами, — так называемые полигидроксиалканоаты (ПГА). Несмотря на острую потребность в разрушаемых полимерных материалах и высокую привлекательность технологии, увеличение объемов их производства и расширение областей применения сдерживаются высокой стоимостью. Ключевая проблема биотехнологии — оптимизация процессов синтеза в целом. Прежде всего, за счет применения новых продуктивных штаммов микроорганизмов, способных к росту на различных доступных субстратах, включая отходы.

«Наличие высокотехнологичных и продуктивных штаммов-продуцентов — ключевой фактор, определяющий эффективность любой биотехнологии. Наиболее результативными промышленными продуцентами ПГА рассматриваются в настоящее время водородокисляющие бактерии рода Cupriavidus, которые, помимо автотрофии и синтеза ПГА на смесях диоксида углерода и водорода, обладают широким органотрофным потенциалом и способны синтезировать ПГА различного химического строения с использованием разнообразных субстратов. К недостаткам подавляющего большинства известных представителей рода Cupriavidus следует отнести узкий трофический потенциал по отношению к сахарам и способность усваивать для роста только весьма дорогостоящую фруктозу. В отчетном году нашим коллективом исследованы закономерности роста и синтеза ПГА на различных сахарах серией авторских коллекционных и полученных мутантных водородокислящих штаммов, а также вновь выделенными, идентифицированными и введенными в культуру штаммов других таксонов (Agrobacterium, Azotobacter, Rhodococcus sp. Отобраны наиболее продуктивные штаммы и реализованы процессы синтеза ПГА на гексозах (фруктозе и более доступной глюкозе) в масштабированных вариантах, включая опытное производство», — рассказывает доцент базовой кафедры биотехнологии, к.б.н. Наталья Жила.

Учёными определены штаммы, метаболизирующие с различной активностью не только гексозы, но также сахарозу, галактозу, мальтозу, маннозу и ксилозу, что открывает возможности привлечения в качестве С-субстрата отходы и гидролизаты растительного сырья.

Евгений Киселев, к.т.н, доцент базовой кафедры биотехнологии СФУ: «Наиболее освоенными и применяемыми субстратами в биотехнологии являются индивидуальные сахара. Сахаросодержащие отходы промышленности, сельского хозяйства, гидролизаты растительного сырья различного происхождения являются неисчерпаемым возобновляемым субстратным ресурсом для производства целевых продуктов биотехнологии, включая ПГА. Перспективным и малоизученным субстратом для синтеза ПГА могут стать сахара, извлекаемые из топинамбура. Топинамбур, или Земляная груша — однолетнее растение, характеризующееся высокой продуктивностью и способностью произрастать в различных климатических условиях и на различных почвах (от засушливых и пустынных до подверженных заморозкам), не пригодных для выращивания зерновых культур. Ценность топинамбура обуславливается его химическим составом с уникальным углеводным комплексом на основе фруктозы и ее полимеров, высшим гомологом которых является инулин, для усвоения которого пригодны только штаммы, обладающие гидролитическим ферментом инулиназой, необходимый для преобразования инулина топинамбура в доступные для бактерий фруктозу и глюкозу. Второй потенциальный подход — это проведение предварительного гидролиза биосырья для превращения инулина в гексозы. В 2021 году впервые в биотехнологической практике нашим коллективом получены и исследованы сахара, извлекаемые кислотным гидролизом из клубней и вегетативной биомассы топинамбура. Оптимизирован режим кислотного гидролиза клубней и зеленой биомассы топинамбура, обеспечивающие высокий выход редуцирующих веществ (РВ), содержание в них моносахаридов с заданным соотношением гексоз. Все варианты полученных из топинамбура сахаросодержащих субстратов, исследованные в культурах серии штаммов, показали пригодность для синтеза ПГА. С использованием отобранных штаммов и оптимизированных режимов получения и дозирования в состав питательных сред сахаросодержащих гидролизатов реализованы продуктивные процессы синтеза полимеров различного состава с продукционными показателями, сопоставимыми с индивидуальными сахарами. Замена индивидуальных гексоз гидролизатами клубней и вегетативной части топинамбура снижает удельные затраты С-субстрата для синтеза полимеров в 1,5-2,0 раза».

Результаты опубликованы:

• Properties of degradable polyhydroxyalkanoates (PHA) synthesized by a new strain of Cupriavidus necator IBP-21 on various C-substrates // Polymers – 2021 – Vol.13(18),3142. https://doi.org/10.3390/polym13183142 (IF WoS 4.329) Q1)).
• Production and properties of Microbial Polyhydroxyalkanoates Synthesized from Hydrolysates of Jerusalem Artichoke Tubers and Vegetative Biomass // Polymers – 2022 - Vol.14(1) - 132 (IF WoS 4.329) Q1. https://doi.org/10.3390/polym14010132)