Живая антинефть

В полку борцов с мировой нефтяной олигархией прибавление: к линии фронта подтягиваются водоросли. Нет, речь не идет об их переработке на топливо. Все гораздо хитрее: китайские и британские химики создали из хлореллы и кишечной палочки фактически искусственные существа — они вырабатывают водород из воды и солнечного света. Белки и жирные кислоты оказываются побочными продуктами такого производства.

Вольвокс — это, с одной стороны, колония-сфероид, состоящая из слабосвязанных клеток, а с другой — единое живое существо. Биологи считают вольвокс существом, сидящим на пороге между мирами одноклеточных и многоклеточных. Не исключено, что человек при создании искусственных существ идет по пути, проверенному эволюцией Фото: Ken Schwartz / flickr

Подход к биотопливу

Отказ от использования ископаемого топлива климатологи считают необходимым условием спасения цивилизации в том виде, как мы ее знаем. Однако пока что попытки заменить ископаемое топливо на нечто сделанное здесь и сейчас, хоть машинами, хоть живыми организмами, оказываются не очень успешными. Первым технологичным подходом, если не принимать во внимание отопление дровами или кизяком, можно считать идею собрать солнечный свет листьями растений и сконцентрировать его в виде энергии химических связей в молекулах горючей органики — растительного масла и сделанного из него биодизеля, или сахара и, соответственно, спирта. С точки зрения химии это не составляет труда. Проблемы начались на практике: способность растений к такой концентрации оказалась низкой, поэтому площади для  изготовления углеводородной пищи машинам потребовались огромные. В результате сахароносы и масличные растения стали конкурировать за пространство как с культурными растениями, дающими пищу людям, так и с дикими.

Последнее оказалось особенно печальным: польстившись на дотации развитых стран, страны слаборазвитые стали распахивать свои леса. И по иронии судьбы это оказались леса тропические, согласно распространенному мнению защитников климата — легкие планеты. На их место пришли плантации масличных пальм, что оказалось дважды плохо. Ведь масличная пальма не растет абы на какой почве, ей нужна почва, богатая перегноем. И вот этот перегной, десятилетиями копившийся под пологом леса, пошел в оборот. То есть на пищу машинам опять пошли ископаемые ресурсы с известным негативным эффектом для энергобаланса планеты. Ну и гибель тропического леса внесла свою лепту. В общем, идея с биодизелем и биоэтанолом ситуацию не сильно облегчила, несмотря на большие затраты денег. Казалось бы, может помочь генетическая модификация растений, но, видимо, у нее есть ограничения, поэтому создания искусственных растений с десятикратным ростом производства масла или спирта с тех же площадей никто не ожидает.

Закачаем энергию в топливо!

Вторая попытка предполагает отказаться от услуг растений: собирать энергию солнечными панелями или ветряками, тратить ее на получение водорода электролизом воды, углекислый газ концентрировать специальными установками и превращать оба вещества в топливо с помощью химического реактора. Теоретически можно обойтись и одним водородом, правда, нужно решить немало проблем, не решаемых десятилетиями.

Таким, электролизным, системам не нужны плодородные почвы, их можно размещать на неудобьях, где и так ничего не растет, а энергия имеется, то есть в пустынях или в Арктике/Антарктике. Однако тут опять получается зависимость от машин, а это разрушает саму основу идеи жить в согласии с природой.

Кроме того, у возобновляемой энергетики есть свой неизбывный дефект: ограниченность сырья для производства ее компонентов. Конечно, когда Солнце дает всего несколько процентов вклада в энергобаланс цивилизации, это ограничение незаметно. Но если речь идет о столь значительном деле, как полный отказ от ископаемого топлива, то возникают сомнения: а есть ли на планете сырье в необходимом количестве? Попутно возникает и проблема отходов: солнечные батареи и ветряки через не очень продолжительное время надо как-то утилизировать. Неочевидно, что проблема их сбора и утилизации, особенно когда энергостанции стоят в труднодоступных местах (скажем, на Северном полюсе, где китайцы планируют разместить мощные ветряки), имеет хорошее решение.

Как же приспособить к этому процессу живых существ, которые вполне себе вписаны в природу, не требуют дефицитных металлов и утилизируются природными экосистемами? Оказывается, ситуация не безнадежна. Основные затраты энергии при изготовлении пищи для машин приходятся на разложение воды и получение водорода — именно в реакции с ним из углекислого газа получаются горючие углеводороды. И очень привлекательно использовать солнечную энергию напрямую, а не через преобразование ее в электричество, которое потом пойдет на электролиз воды: так потери драгоценной энергии могут стать меньше. И вот тут для живой материи появляется новое окно возможностей.

Гипоксичный водород

Еще в 1942 году перуанской немец Ганс Гаффрон, работая с Джеком Рубиным на кафедре химии Чикагского университета, обнаружил интересное явление. Оказывается, некоторые одноклеточные водоросли, лишенные доступа к кислороду, примерно за один час перестраивают свой метаболизм и начинают вырабатывать водород. Считается, что он нужен клетке для восстановления углекислого газа. Интересно, что выделение водорода не прекращается и при отключении света — Гаффрон предположил, что в нем участвует какая-то ферментативная система, дополняющая фотосинтетическую.

В 1942 году, видимо, до такого экзотического способа получения водорода никому не было дела, скажем, тогда же и в том же университете Энрико Ферми собирал первый атомный реактор. Поэтому Гаффрону за интереснейшее открытие нового пути метаболизма у водорослей Нобелевскую премию не дали, да и особого внимания коллеги не обратили. Однако после того, как была объявлена общепланетарная климатическая тревога, о нем вспомнили.

В 2000 году в журнале «Trends in Biotechnology» вышла обзорная статья Марии Жирарди из Национальной лаборатории возобновляемой энергии США с коллегами из Калифорнийского университета и Ок-Риджа, в которой они предложили использовать водоросли для изготовления водорода. И не просто предложили, а провели первые опыты, чтобы оценить перспективность своего предложения. В ходе работы они сделали биореактор в небольшой колбе объемом 850 мл. В нее налили культуру одноклеточных водорослей, хламидомонад, поставили под лампу, и за 100 часов работы реактор выдал почти 100 мл водорода. Такая производительность была столь значима, что опыты продолжили в разных лабораториях.

Для изготовления живого сфероида, способного вырабатывать водород, нужно создать эмульсию из капелек гидрогеля, в которых соберутся клетки водоросли (а). Если вытянуть из капелек воду, получатся плотные  сфероиды (б). Внутри них клетки будут лишены доступа к кислороду, они перестроят свой метаболизм и перейдут на разложение воды (в). Если ту же процедуру провести со смесью клеток водоросли и бактерий, то получатся водорослевые сфероиды с бактериальной кожей (нижний ряд). Они станут делать водород интенсивнее, чем лишенные кожи Nature Communications, 2020, 11: 5985

Водород из аскорбинки

Вскоре возникло мнение, что живые водоросли не самый удобный объект для такого рода деятельности, и последователи Жирарди начали придумывать полуживые машины для прямого производства водорода из воды с помощью света. Чтобы этого добиться, биотехнологи стали извлекать из водорослей элементы фотосинтетической машины, соединяли их с металлическим катализатором разложения воды и смотрели, что произойдет. Например, Барри Брюс с Ифейной Ивучукву и другими коллегами из Теннессийского университета, а также Ок-Риджа (Nature Nanotechnology, январь 2009 года) использовали фотосинтетический центр цианобактерии, который прикрепили к наночастице платины. Свет падал на это устройство, выбивал электрон из фотоцентра, и тот через платину восстанавливал водород из воды.

Для работы этой системы, впрочем, требовалось каждый раз восстанавливать фотоцентр: пришлось добавить белок-цитохром, а также расходный материал — аскорбат натрия, у которого отбирали потраченный электрон. Фактически система превращала аскорбат в водород, что не свидетельствует о ее устойчивости: кто-то этот аскорбат должен делать. Зато, когда аскорбат периодически добавляли в колбу, все работало устойчиво и долго: опыт длился три месяца, и водород шел как днем, так и ночью, хотя ночью похуже.

А что с производительностью? Брюс с коллегами придумали такую единицу —  микромоли водорода на один миллиграмм хлорофилла в час; в их работе выходило 5,5 мкМ. Много это или мало? Брюс пишет примерно так. Представим, что мы сделали коллектор глубиной 10 см и площадью в один акр (0,4 га), в который залили раствор с этими наночастицами и нагрели все до 55°С. За год он выдаст какое-то количество водорода. Теперь представим, что мы засеяли гектар некой энергетической культурой, собрали урожай и сделали из зерна топливо, которое по энергетической емкости пересчитаем на бензин. Его объем теперь разделим на число дней, которые земля была в эксплуатации. Так вот, произведенный упомянутым коллектором водород по энергетической ценности окажется таким, будто мы каждый день с гектара получали 300 литров бензина! Это в десятки раз больше, чем реальный выход жидкого топлива с различных плантаций. Так, кукуруза дает 5,43 литра спирта с гектара в день, соя — 1,43 литра биодизеля, а рекордсмен среди энергетических трав — просо прутьевидное — 12,1 литра спирта.

Живые сфероиды

Несмотря на блестящий расчет Брюса и тот факт, что некоторым удается при схожем подходе добиваться десятикратно больших выходов водорода, технология полуживых водородвыделяющих машин пока не нашла применения. Видимо, сказывается отсутствие водородной энергетики как таковой. Однако когда запрос на массовое производство топлива из неископаемых источников сформируется, такая технология может пригодиться. При условии, что полуживым машинам к тому времени не составят конкуренции искусственные существа. А первое из них уже появилось. Вот как его сделали Хуан Синь из Харбинского технологического института и Стефан Манн из Бристольского университета со своими коллегами (Nature Communications, 2020, 11: 5985).

Ход их мысли, воплотившейся в изящный эксперимент, был примерно таким. Как создать водоросли гипоксию для выполнения условия Гаффрона? Нужно сформировать из ее клеток плотный сфероид. Тогда к клеткам, оказавшимся внутри, кислород станет поступать гораздо хуже, чем к внешним, и они перейдут на выработку водорода. Однако нельзя делать сфероид слишком большим, ведь свет должен проникать на всю глубину, иначе никакого фотосинтеза не будет. Значит, придется играть с размерами в поисках оптимума, поэтому сначала нужно научиться делать гидрогелевые сфероиды как таковые, а потом заселить их водорослями.

Сырьем для изготовления гидрогеля послужила смесь растворов полисахарида декстрана с денатурированным белком альбумином. Его аккуратно выливали в раствор полиэтиленгликоля, и получалась эмульсия. Заселить хлореллой капельки декстрано-альбуминового геля, плавающие в полиэтленгликоле, оказалось совсем не трудно — достаточно было размешать ее культуру в декстране, и клетки водоросли охотно распределились по капелькам эмульсии непосредственно в момент ее приготовления. А вот чтобы создать им гипоксию, пришлось применить изворотливость: капельки перенесли в более концентрированный раствор полиэтиленгликоля, он вытянул воду из гидрогеля, тот сжался вместе со своим содержимым, и получились плотные хлорелльные сфероиды. Эта система при естественным освещением заработала: через 12 часов концентрация кислорода упала, началось производство водорода, и через 48 часов его концентрация в колбе застабилизировалась на уровне 0,5 мкМ. Интересно, что ни в свободной культуре хлореллы, ни в хлорелльных сфероидах до их сжатия никакого водорода не наблюдали. Успех был достигнут — принцип сработал.

Кожа да кости

Как известно, нет предела совершенству. Почему производство столь маломощно? Очевидно, часть водорода, выделенного внутренними слоями сфероида, соединяется с кислородом внешних слоев и дает воду. Нужно организовать какой-то сток для кислорода. Почему бы не использовать бактерии? Они фотосинтезу не обучены, а кислород для дыхания им нужен. Выбор пал на кишечную палочку. Правда, ее пришлось модифицировать — обработать сложным эфиром, фрагментом молекулы которого служил полиэтиленгликоль. Эти бактерии смешали с водорослями и опять сделали сфероиды.

Кишечная палочка, обретшая сродство к полиэтиленгликолю, расположилась на границе между ним и декстраном; таким образом у сфероида появилась живая кожа. Она перекрыла доступ кислорода снаружи, усиливая гипоксию водорослей, и в то же время поглощала тот кислород, что могли выделять поверхностные слои сфероида. Заодно бактерии и водоросли стали обмениваться продуктами своей жизнедеятельности, кормя друг друга; примерно так ведут себя гриб и водоросль, сформировавшие лишайник. Покрытие водорослевого сфероида бактериальной кожей подняло производительность водорода почти до 2 мкМ.

В работе с живой материей есть свои нюансы. В частности, всегда надо иметь в виду, что она никогда не бывает стационарной, а меняется каждое мгновение. Так вышло и с живыми сфероидами: водоросли исправно фотосинтезировали нужные им вещества, и в конце концов их клетки делились. В результате плотность населения росла, ему в рамках сфероида становилось все теснее и теснее, силы гидрогеля, поддерживающие стабильность, иссякали: сфероид разрушался. Это случалось на 72-м часу его жизнедеятельности, после чего выработка водорода падала, ведь клетки водорослей получили доступ к кислороду. Однако этот процесс удалось замедлить.

В альбуминовый гидрогель добавили декстран, к которому были пришиты альгинатные хвостики. Они послужили застежками, соединившими молекулы белка в трехмерную сетку. Так у сфероида возник пусть мягкий, но все же скелет, который обеспечил длительное сохранение его целостности. Теперь разрушение происходило уже через 168 часов, и производство водорода поднялось выше 4 мкМ. Если пересчитать это на единицы, придуманные Брюсом, то выйдет 0,2 мкМ на миллиграмм хлорофилла в час, то есть в 25 раз меньше, чем в его опытах с фотоцентром, прикрепленным к платиновой наночастице и подкармливаемым аскорбатом. Однако даже это значение уже выше, чем выход энергии от энергетических растений. А ведь сделан только первый шаг.

В арсенале сфероидотворцев имеется много возможностей для совершенствования: это и выбор мутантных водорослей с лучшими антеннами для фиксации света, и манипулирование с химическим составом среды для их содержания, и генетическая модификация для получения более эффективных ферментов, производящих водород, и много чего еще. Наверняка можно поработать и с внутренней структурой сфероида, и с количеством видов живых существ, участвующих в его формировании, еще добавить специализированные клетки. Интересно, что, поскольку хлорелла может служить полноценным питанием млекопитающих, бонусом к получению водорода оказываются белки и жирные кислоты, если их, конечно, удастся извлечь после распада сфероидов.

Самое же интересное, что в ходе работы фактически человек по своим лекалам создал первое искусственное многоклеточное существо. Пусть оно недолговечно и не умеет производить себе подобных. Но у него есть кожа, скелет и рабочее тело, выполняющее порученную человеком работу. Можно быть уверенными, что это не последнее такое существо — авторы работы уже сделали по технологии живых сфероидов аналогичное существо из дрожжей: в анаэробных условиях оно гораздо лучше перерабатывает сахар в спирт. Что же касается нефтяников, то завтра подобные искусственные существа им, несомненно, не угрожают. А вот за послезавтра никто поручиться не может.