Одно из важных испытаний, стоящих перед человечеством в XXI веке, — это борьба с экологическими проблемами. Наша реакция на симптомы глобального кризиса, проявляющиеся в окружающей среде, безо всяких преувеличений определит дальнейший ход всей истории. Разбираемся, как последние научные открытия и технологические разработки приближают будущее нашей планеты и каким оно может быть.

Пар вместо дыма?

Наверняка вы когда-нибудь наблюдали над городом смог и могли чувствовать при этом горечь на языке, резь в носу и глазах. Воздействию смога время от времени подвергаются 85 процентов жителей нашей планеты, а 40 процентов из них ничего другого и не видели — настолько плоха экологическая обстановка, в которой они живут.

Ежегодный урон от загрязнения воздуха оценивается в 5,1 триллиона долларов — 6 процентов мирового ВВП. Воздух загрязняется из-за продуктов сгорания: углекислого и угарного газов, оксидов серы и азота, метана и его производных. Сейчас почти в любом доме есть электричество, а если нет, то скорее всего, стоит керосиновая плитка или дровяная печь. Сжигать твердое топливо для удовлетворения бытовых нужд вынуждено более 3 млрд человек. А по самым оптимистичным оценкам, более 60 процентов мировой электроэнергии вырабатывается ТЭЦ.

Моментально изменить ситуацию невозможно, а топлива, которое можно было бы сжигать без отходов, пока не существует. Но есть водород в качестве альтернативы: он крайне легок, очень просто сжимается, дает много энергии и при этом экологичен. Что важнее, получать вещество можно напрямую из биомассы — например, из микроорганизмов. Это возобновляемый ресурс, получаемый из органического вещества за счет проведения химических реакций, в основе которых лежит тепловое разложение. При этом должна происходить именно реакция разложения, а не горения. Получаемая на выходе смесь содержит в себе водород, углекислый и угарный газы, метан и азот, а также смолу из различных органических полимеров.

Все вышеперечисленное может быть использовано различными видами бактерий и водорослей, то есть возможно спроектировать и создать целое сообщество микроорганизмов, полностью перерабатывающих получаемые отходы, — и использовать очищенный водород в качестве топлива. Передовое направление в этой области — создание сообщества микроорганизмов (автотрофов, гетеротрофов и поддерживаемого ими набора других организмов), которые способны при этом производить водород за счет окисления различных субстратов. Сегодня разработка подобных биотехнологических процессов, в том числе основанных на конструировании микроорганизменных культур, выходит на новый уровень и эффективно применяется. Поставляя биореактору питательные вещества почти в любой форме, можно получить полностью экологичное топливо. Но чтобы прокормить такое количество микроорганизмов, которое заменило бы в будущем остальные виды топлива, нужно много биомассы. Очень много. И одним из ее источников, судя по всему, станут технологии, разработанные для заботы об экологии.

Удачным примером могут служить технологии, разработанные для эффективной и экологичной очистки как сточных вод, так и технической воды с различных предприятий. В подобных отходах уже содержится достаточно скрытого ресурса и энергии. Обычный цикл очистки связан с многочисленными механическими перекачиваниями воды в разные резервуары, сопряженными с фильтрацией. В некоторых из резервуаров вода постепенно очищается от различных загрязнений за счет проведения химических реакций. Каждую из этих стадий можно заменить на использование микроорганизмов и получать энергию, нужную для насосов, за счет их жизнедеятельности.

Очистные сооружения — перспективное место для внедрения собирающих солнечных генераторов электроэнергии: батарей и системы зеркал, которые собирают и направляют на них свет. Обычно подобная конструкция требует много места и сильно нагревается. Этот эффект нагревания удобно использовать для обеспечения оптимальной температуры для роста бактерий и протекания химических реакций.

Все эти технологии связаны с массовым выращиванием большого количества микроорганизменных сообществ, но это может нести экологическую опасность: микробные сообщества выделяют в атмосферу продукты своей жизнедеятельности — летучие органические соединения. Это одна из весомых категорий загрязнения воздуха. Но при этом самый прогрессивный способ борьбы с ними, как ни иронично, — использование микроорганизменных фильтров. Подобные фильтры также способны очищать воздух от примесей как металлов, так и опасных газов.

Не исключено, что в будущем нефтяные вышки и угольные разрезы заменят биореакторы, способные поддерживать жизнь тонн микроорганизмов, а из выхлопных труб машин будет идти не дым, а пар. Впрочем, это уже начинает становиться нашей новой реальностью.

Фермерство нового тысячелетия

Пару лет назад мы писали про шпинат, который научили искать взрывчатку за счет введенного в него набора углеродных нанотрубок. Тогда это казалось забавным фактом, но сейчас становится ясно, какой удивительный потенциал перед нами раскрылся.

Подобные модификации растений сегодня составляют целую научную дисциплину — нанобионику. Она изучает изменения в свойствах растений или продуктов их жизнедеятельности посредством наночастиц. Так, мы можем увеличить эффективность фотосинтеза растений и собрать вместо одного урожая целых два.

Но есть и более амбициозные проекты. Например, модифицированное растение может определить наличие пестицидов, нитроароматики или питательных веществ в почве вплоть до мельчайших концентраций. Сами растения без нашей помощи умеют реагировать на присутствие определенных соединений в окружающей среде. Введя в растение наносенсор и настроив его на определенное изменение в самом растении, мы сможем с очень высокой чувствительностью распознавать интересующие нас вещества. Например, можно увидеть, болеет ли растение и в каком количестве какого удобрения оно нуждается. Нанотехнологии позволяют настроить обмен всей этой информацией: например, передать ее на смартфон можно при помощи инфракрасного излучения.

Используя все те же наночастицы, мы можем доставить удобрения или лекарства растению эффективно, быстро и точечно. Не поливать грядку на протяжении дней удобрениями, рискуя нарушить экологию почвы, а один раз добавить частицы-переносчики с минимальной концентрацией необходимого соединения. И мы будем полностью уверены, что эта посылка дойдет до адресата.

Возможно, скоро человеческая ручная забота уже перестанет быть настолько необходимой сельскохозяйственному растению. Оно само прекрасно скажет, что, где и когда ему нужно. И получит это за счет автоматизированных процессов.

Нанобиоматериалы

В будущем многие вещи будут производиться за счет ресурса растений и микроорганизмов. Они же будут источником для новейших материалов. Самым популярным из них на сегодняшний день является наноцеллюлоза — материал из сверхупорядоченной фибриллярной целлюлозы клеточных стенок растений или цианобактерий. Она существует в самых различных формах: от мельчайших прочных и химически инертных нанокапсул до адсорбирующего геля. Разнообразие же строения этого материала на наноуровне дает нам возможность добиться самого широкого спектра свойств. При всем этом наноцеллюлоза абсолютно экологична и биоразлагаема, и скорость этого разложения уже научились регулировать.

Другие природные полисахариды обладают схожими свойствами и могут быть использованы для создания наноматериалов: они способны создавать наноструктуру, при масштабировании которой у вещества появляются новые свойства. Например, лигнин, ответственный за одеревенение растений, и гемицеллюлоза из клеточных стенок красных водорослей могут быть использованы в оптике — от материала для экранов до создания специальных покрытий, блокирующих определенное излучение или имитирующих различные текстуры.

Наноматериалы применяются в различных областях медицины. Основанные на нанобиоматериалах способы доставки лекарств очень эффективны и при этом низкотоксичны. Также наноматериалы применяются для фильтрации различных токсинов из организма и позволяют делать это без масштабных вмешательств.

Еще одна интересная область применения нанобиоматериалов — регенерация чего угодно: от микроструктур до тканей и органов. Ученые уже давно размножают человеческие клетки, относительно недавно и с переменным успехом могут вырастить ткань, но каркасы из нанобиоматериалов позволяют нам выращивать целые органы или создавать им замену. С недавних пор мы можем создавать протезы участков крупных артерий и сердца, которые способны за счет своего покрытия обрастать внутри живым эндотелием — тканью, выстилающей сосуды. Протез интегрируется в кровеносную систему и буквально становится ее частью.

Каркасы из наноматериалов скоро будут решать важную проблему трансплантологии — излечение травм нервной системы. «Нервные клетки не восстанавливаются», и это очень близко к правде. У нейронов низкий потенциал регенерации, и перерезанный нерв раньше нельзя было восстановить, но сейчас это стало возможно. Для этого потребуется специальный каркас, заселенный стволовыми клетками, и обработка его электрическими импульсами, имитирующими нервную деятельность. Подобный подход работает и для выращивания костной ткани. В его основе лежит совмещение матрикса из наноматериалов со смесью факторов роста и внешнеклеточного матрикса.

Последнее достижение в этой области — 3D-модель легкого. Культуры клеток человека заселили каркас и регулировали процесс их дифференцировки. Итоговая модель была физиологически близка к настоящему органу.

Здесь курят

Модель легких, о которой мы рассказывали выше, разрабатывалась под кураторством команды PMI Science — научного подразделения Philip Morris International. У компании широкие научные интересы: от исследований в области химии и физики аэрозолей и клинических испытаний до разработки различных технологических устройств. Отдельно стоит отметить эффективные доклинические ингаляционные и безопасностные модели — например, механические легкие, заселенные клетками человека и способные воспроизводить процесс дыхания, чтобы оценить влияние различных негативных факторов на организм.

Табачная отрасль не менялась на протяжении долгого времени, но наука и инновации трансформировали и эту сферу. Поскольку полный отказ от курения — “золотой стандарт” лечения заболеваний, связанных с курением, табачная индустрия развернулась на 180 градусов, задавшись целью создать будущее без табачного дыма. Сегодня одна из основных целей табачных компаний — разработка продуктов, которые могли бы стать приемлемой и безопасной альтернативой сигаретам для курильщиков, которые не отказываются от своей привычки.

Когда человек курит, он пропускает через легкие и дыхательные пути пар, дым или нагретый воздух с никотином. Есть все основания полагать, что в будущем никотин можно заменить на любое лекарственное соединение и использовать ингаляционные технологии из табачной индустрии в медицине. При этом подобный подход оправдан, поскольку всасывание биоактивных веществ в кровь в легких с их разветвленной сетью капилляров или на слизистой дыхательных путей будет происходить быстрее и потребует меньшего количества вещества, а значит, и токсичность будет куда ниже. Особенно это может оказаться эффективно при лечении различных заболеваний легких.

Сегодня медицина вновь обратилась к алкалоидам, самым известным представителем которых является никотин. Алкалоиды — это вещества, похожие на нейромедиаторы: например, серотонин и дофамин. К алкалоидам также относится и всеми любимый кофеин, который слабо активирует симпатическую нервную систему, в то время как никотин — парасимпатическую, оба при этом оказывают противовоспалительное действие.

С самых древних времен люди использовали эти и другие эффекты подобных веществ, применяя в медицине растения, их содержащие. PMI проводит исследования веществ этого ряда на различных лабораторных моделях с тем, чтобы мы смогли больше узнать об их механизмах и эффектах воздействия на организм. Основной целью здесь является нахождение новых эффективных соединений: как анксиолитиков для борьбы с тревогой, так и противовоспалительных агентов. При этом противовоспалительный эффект, согласно результатам исследований PMI Science, достигается за счет различных путей воздействия.

Алкалоиды против рака

Сильные противовоспалительные свойства алкалоидов не просто так интересуют ученых. Одно активно изучаемое и очень тяжелое заболевание всегда идет рука об руку с воспалительными процессами. Это заболевание — рак. Воспаление часто является причиной перерождения здоровой клетки в раковую, — и воспаление же используют клетки опухоли, чтобы обойти встроенные механизмы защиты.

Инструментарий борьбы с раком невелик и, несмотря на новейшие подающие надежды разработки, представляет собой в основном только методы, использование которых сопряжено с возникновением тяжелых побочных эффектов. Химиотерапия и облучение достаточно эффективны, но наносят высокий сопутствующий урон организму.

Растения содержат широкий спектр алкалоидных соединений, причем зачастую в небольших концентрациях. И именно подобные выделенные из растений алкалоидные коктейли и показывают высокую эффективность в подавлении развития и даже в уничтожении раковых клеток. Одно из направлений современной фармакологии — поиск эффективных лекарств на основе растений при помощи передовых научных методов: структурной биологии и машинного обучения.

***

Развитие биотехнологий показывает, что на новом этапе прогресса человечество, может быть, наконец откажется от ископаемых ресурсов. Вместо этого мы сможем опираться на отвечающие высоким экологическим стандартам решения, которые смогут обеспечить устойчивое будущее планеты. Этот путь ведет нас обратно к природе.

Данила Третьяков