Окумуштуулар химиялык продукциялар мунайдын ордуна микроорганизмдер тарабынан өндүрүлө турган “биоөндүрүш” доорун дагы бир кадам жакындатышты.
Кореянын алдыңкы илим жана технология институтунун (KAIST) маалыматына ылайык, алардын изилдөө тобу биоөндүрүштү коммерциялаштырууга тоскоол болгон негизги көйгөйлөрдү талдап, жасалма интеллектке негизделген индустриялаштыруу стратегиясын сунуштады.
Изилдөөнү институттун Химиялык жана биомолекулалык инженерия кафедрасынын ардактуу профессору Ли Сан Ёп (Sang Yup Lee) жетектеген изилдөө тобу жүргүзгөн.
Илимий изилдөөнүн өзү Nature Communications журналында жарыяланган.
KAIST институтунун материалында белгиленгендей, бүгүнкү күндө химиялык продукциялардын көпчүлүгү – анын ичинде пластмассалар, текстиль жана фармацевтика үчүн чийки заттар – мунайдан өндүрүлөт.
Бирок көмүртектин бөлүнүп чыгышы жана айлана-чөйрөнүн булганышы боюнча тынчсыздануулар күчөгөн сайын химиялык заттарды өндүрүүдө микроорганизмдерди колдонгон биоөндүрүшкө кийинки муундагы өндүрүш технологиясы катары улам көбүрөөк көңүл бурулуп жатат.
Анткен менен лабораторияда иштелип чыккан технологияларды иш жүзүндөгү заводдордо экономикалык жактан пайдалуу массалык өндүрүшкө чейин кеңейтүү али чоң көйгөй бойдон калууда.
Биоөндүрүштүн негизги технологияларынын бири болгон системалык метаболикалык инженерия керектүү химиялык заттарды өндүрүүчү микробдук клетка-фабрикаларды түзүү үчүн микроорганизмдердин метаболикалык жолдорун долбоорлоп, оптималдаштырат.
Бирок лабораторияда жогорку өндүрүмдүүлүктү көрсөткөн технологиялар өнөр жай шарттарына өткөрүлгөндө көбүнчө натыйжалуулугу төмөндөйт: өндүрүмдүүлүк азаят, өндүрүштүк чыгымдар өсөт жана көпчүлүгү баа жагынан атаандаштыкка туруштук бере албай, акырында коммерциялаштырылбай калат.
Биологиялык негиздеги химиялык чийки зат
KAIST институту билдиргендей, изилдөө тобу лаборатория менен өнөр жайдын ортосундагы ажырымды – көп учурда “өлүм өрөөнү” деп аталган көйгөйдү – чагылдырган мисалдар катары биологиялык негиздеги химиялык чийки зат – янтарь кислотасын жана биоажыроочу пластик- полигидроксиалканоатты (PHA) талдады.
Янтарь кислотасы – экологиялык жактан таза пластмассаларды жана ар кандай химиялык материалдарды өндүрүүдө колдонула турган маанилүү химиялык чийки зат.
Изилдөө тобу янтарь кислотасы азыркы мунай-химиялык продукциялар менен атаандаша алышы үчүн анын атаандаштыкка жөндөмдүүлүгү өндүрүш көлөмүнө гана эмес, чийки заттын жана бөлүү-тазалоо процесстеринин чыгымдарына, ферментация процессине, рыноктун көлөмүнө да көз каранды экенин түшүндүрдү.
Бул факторлордун бардыгын комплекстүү түрдө эске алуу зарыл.
Окумуштуулар ошондой эле этап-этабы менен ишке ашырылуучу стратегияны сунушташты. Янтарь кислотасын адегенде фармацевтика, косметика жана тамак-аш ингредиенттери сыяктуу жогорку кошумча наркы бар тармактарда колдонууга киргизүү реалдуу чечим болушу мүмкүн.
Полигидроксиалканоат (PHA) – микроорганизмдер өз клеткаларынын ичинде топтогон биоажыроочу пластик. Ал колдонулгандан кийин айлана-чөйрөдө табигый түрдө ажырай турган экологиялык жактан таза материал.
Бирок азыркы учурда PHA өндүрүштүк жана бөлүп алуу чыгымдарынын жогору болушуна байланыштуу кадимки пластмассаларга караганда баа жагынан атаандаштыкка жөндөмдүүлүгү төмөн.
Мындан тышкары, анын материалдык касиеттери да өзүнчө тоскоолдук жаратат. Типтүү полимер P(3HB) жогорку кристаллдуулукка ээ, убакыт өткөн сайын морт болуп калат жана эрүү температурасы менен ажыроо температурасынын ортосундагы айырма өтө аз.
Андыктан, PHА кадимки пластмассаларды түздөн-түз алмаштырууга ылайыктуу эмес.
Изилдөө тобу бул багытта да этап-этабы менен ишке ашырылуучу ыкма зарыл деген тыянакка келди. Адегенде өндүрүш процессин жөнөкөйлөтүп, PHAны медицина жана тамак-аш азыктарын таңгактоо сыяктуу жогорку кошумча наркы бар тармактарда колдонууга киргизүү керек. Андан кийин гана аны жалпы багыттагы рынокторго жайылтуу сунушталат.
Жасалма интеллекттин биоөндүрүштөгү ролу
KAIST институтунун изилдөө тобу мындан ары жасалма интеллект биоөндүрүштү индустриялаштыруунун негизги ачкычы болот деп болжолдоодо.
Изилдөөчүлөрдүн түшүндүрүүсүнө караганда, жасалма интеллект биоөндүрүштүн бүтүндөй процессин оптималдаштыра алат.
Бул ферменттерди жана микроорганизмдерди долбоорлоодон тартып, өндүрүш процесстерин виртуалдык түрдө моделдеген санариптик эгиздерди колдонууга жана экономикалык жактан пайдалуулук менен айлана-чөйрөгө тийгизген таасирин бир учурда талдоого чейинки процесстерди камтыйт.
Натыйжада иштеп чыгуу мөөнөттөрү кыскарып, өндүрүш чыгымдары азайып, ийгиликтүү коммерциялаштыруу мүмкүнчүлүгү жогорулайт.
KAIST институтунун пикиринде, бул изилдөөнүн негизги мааниси жаңы өндүрүш технологиясын иштеп чыгууда эмес, биоөндүрүштү ийгиликтүү өнөр жай деңгээлине чыгаруу үчүн зарыл болгон шарттарды ар тараптуу талдоодо турат.
Изилдөөдө биоөндүрүштү индустриялаштыруу боюнча чийки зат менен камсыздоодон баштап, микроорганизмдерди долбоорлоо, ферментация, бөлүү, тазалоо жана продукцияны рынокко чыгарууга чейинки бардык этаптарды камтыган жол картасы сунушталган.
Изилдөө тобу алардын илимий эмгеги биологиялык негиздеги химиялык өнөр жайды коммерциялаштырууну тездетип, узак мөөнөттүү келечекте мунайга багытталган химиялык өнөр жайды экологиялык жактан таза биоэкономикага өткөрүүгө салым кошот деп эсептейт.
Илимий жана техникалык терминдерге түшүндүрмө:
Микробдук клетка-фабрикалар (MCF) – бактериялар, ачыткылар же козу карындар сыяктуу атайын инженерияланган микроорганизмдерге негизделген биологиялык өндүрүш системалары.
Метаболикалык инженерия жана синтетикалык биология ыкмаларынын жардамы менен окумуштуулар алардын генетикалык жана жөнгө салуучу тармактарын өзгөртүп, кайра жаралуучу ресурстарды фармацевтикалык препараттар, биохимиялык заттар жана биоотун сыяктуу жогорку кошумча наркы бар продукцияларга натыйжалуу айландырууга шарт түзүшөт.
Бул түшүнүк микроскопиялык организмди өндүрүш заводу катары кароого негизделет. Казылып алынуучу отунга жана жогорку температурага таянган салттуу мунай-химиялык кайра иштетүүдөн айырмаланып, микробдук клетка-фабрикалар татаал молекулаларды синтездөө үчүн тирүү клеткаларды колдонушат.
Микробдук клетка-фабрикалар заманбап өнөр жайлык биотехнологиянын маанилүү багыттарынын бири болуп саналат.
P3HB – полигидроксиалканоаттардын (PHA) үй-бүлөсүнө кирген типтүү полимер. Аны бактериялар, мисалы Alcaligenes eutrophus, клетканын ичинде көмүртек жана энергиянын запасы катары табигый жол менен синтездейт.
Микроорганизмдер P3HBди физиологиялык стресс шарттарында, мисалы азот же фосфор жетишсиз болгондо, глюкоза сыяктуу көмүртек булактарын пайдаланып топтошот.
P3HB жогорку кристаллдуулукка ээ болгондуктан, катуу жана морт материалды түзөт. Анын физикалык касиеттери полипропилен сыяктуу кеңири колдонулган пластмассалардын касиеттерине окшош.
P3HB табигый түрдө уулуу эмес продуктуларга чейин ажырай тургандыктан, экологиялык жактан таза таңгактарды жана биомедициналык түзүлүштөрдү, мисалы, ткандарды инженериялоодо колдонулуучу каркастарды жана хирургиялык тигиш материалдарын жасоодо колдонулат.
Санариптик эгиз – физикалык объекттин, системанын же процесстин виртуалдык, динамикалык санариптик көчүрмөсү. Статикалык моделден же кадимки симуляциядан айырмаланып, санариптик эгиз өзүнүн физикалык аналогуна орнотулган сенсорлордон реалдуу убакыт режиминде маалыматтарды үзгүлтүксүз алып турат.
Мунун аркасында ишканалар системанын жүрүм-турумун моделдеп, иштөө процесстерин көзөмөлдөп жана келечектеги көрсөткүчтөрүн алдын ала болжолдой алышат.
Санариптик эгиздер компанияларга ар кандай сценарийлерди коопсуз сынап көрүүгө, системаларды оптималдаштырууга жана физикалык объекттин ишине тоскоолдук жаратпастан алдын ала техникалык тейлөө жүргүзүүгө мүмкүндүк берет.
Алар өнөр жайда, энергетикада, саламаттык сактоодо жана башка көптөгөн тармактарда кеңири колдонулат.
Шилтемелер:
- Маалымат макала KAIST институтунун интернет баракчасындагы https://news.kaist.ac.kr/newsen/html/news/?mode=V&mng_no=64370 материалдын негизинде жазылды.
- Маалымат макалага негиз болгон илимий изилдөө Nature Communications https://www.nature.com/articles/s41467-026-73835-1 журналында жарыяланган.
- Башкы сүрөт unsplash.com сайтынан алынды, автору Mazakazu Sasaki
- Илимий жана техникалык терминдерге түшүндүрмөнү Эл Илим коомдук фонду даярдады.
