Микроорганизмы уже способны производить сырьё для пластмасс, лекарств, косметики и пищевой промышленности. Однако успешный лабораторный опыт ещё не означает, что технология окажется выгодной на крупном заводе. Авторы нового научного обзора предложили оценивать стоимость, экологическое воздействие и устойчивость поставок ещё на этапе разработки, а искусственный интеллект использовать для настройки всего производственного процесса.
Работу подготовили исследователи Корейского института передовых технологий (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST). Статья опубликована в журнале Nature Communications.
Что такое биопроизводство
Большинство современных пластмасс, синтетических волокон и химического сырья получают из нефти. Биопроизводство предлагает другой подход: специально подобранные или генетически изменённые микроорганизмы перерабатывают сахар, растительное сырьё и другие возобновляемые вещества в нужные химические соединения.
По сути, бактерия или дрожжевая клетка становится миниатюрной фабрикой. Учёные изменяют её обмен веществ так, чтобы как можно больше исходного сырья превращалось в заданный продукт.
Этот подход называют системной метаболической инженерией. Метаболические пути — это последовательности химических реакций внутри клетки. Перестраивая их, исследователи могут заставить микроорганизм вырабатывать больше определённой кислоты, полимера или лекарственного вещества.
Почему лабораторный успех не всегда работает на заводе
В небольшом лабораторном сосуде легко поддерживать постоянную температуру, кислотность, поступление кислорода и питательных веществ. В огромном промышленном реакторе условия неодинаковы: в разных его частях клетки могут получать разное количество кислорода и сырья.
Из-за этого производительность микроорганизмов снижается, побочных веществ становится больше, а очистка конечного продукта дорожает. Технология, которая выглядела эффективной в лаборатории, при увеличении масштаба может потерять экономический смысл.
Авторы называют этот этап «долиной смерти» — промежутком между научной разработкой и устойчивым промышленным производством, где многие перспективные проекты прекращают существование.
Джи Ён Ким (Ji Yeon Kim) и Хе Ын Ю (Hye Eun Yu), научные сотрудники кафедры химической и биомолекулярной инженерии, выступили первыми авторами работы. Исследованием руководил Сан Ёп Ли (Sang Yup Lee).
Янтарная кислота: произвести недостаточно
Одним из примеров стала янтарная кислота — вещество, которое используют при изготовлении полимеров, растворителей, пищевых добавок, косметических средств и фармацевтического сырья.
Микроорганизмы могут вырабатывать янтарную кислоту из возобновляемого сырья. Но для конкуренции с нефтехимическим производством недостаточно добиться высокой концентрации вещества в лабораторной ёмкости.
Необходимо одновременно учитывать стоимость сырья, продолжительность ферментации, расход энергии, очистку продукта и размер рынка. Ферментацией называют процесс, при котором микроорганизмы превращают одни вещества в другие.
Особенно дорогими могут оказаться отделение и очистка янтарной кислоты из сложной смеси, остающейся после работы клеток. В результате хороший биологический показатель ещё не гарантирует приемлемой цены конечного продукта.
Авторы предлагают начинать с рынков, где покупатели готовы платить больше: фармацевтического производства, косметики и пищевых компонентов. По мере снижения себестоимости технологию можно расширять на массовые химические продукты.
Биопластик пока трудно сделать дешёвым
Вторым примером стали полигидроксиалканоаты (ПГА) — семейство биоразлагаемых полимеров, которые некоторые бактерии накапливают внутри клеток как запас питательных веществ.
После извлечения из микроорганизмов эти вещества можно использовать для изготовления пластика. В зависимости от состава полимер может быть твёрдым, гибким или эластичным. Некоторые варианты способны разлагаться в почве и морской среде.
Однако производство ПГА остаётся дорогим. Сначала микроорганизмы нужно вырастить, затем разрушить клетки, извлечь из них полимер и очистить его. На каждом этапе расходуются сырьё, энергия и химические вещества.
Проблема заключается не только в цене. Один из наиболее изученных полимеров — поли(3-гидроксибутират) — обладает высокой кристалличностью, со временем становится хрупким и имеет небольшой температурный промежуток между плавлением и разрушением. Поэтому его нельзя просто использовать вместо обычного пластика на существующих производственных линиях.
Исследователи считают более реалистичным постепенное внедрение ПГА. Сначала материал может применяться там, где его особые свойства оправдывают более высокую стоимость: в медицинских изделиях, системах доставки лекарств и некоторых видах пищевой упаковки. Массовый рынок станет доступнее после упрощения производства и улучшения свойств материала.
Искусственный интеллект может связать все этапы
Авторы считают, что искусственный интеллект (ИИ) способен ускорить переход от лабораторной разработки к промышленному производству.
Алгоритмы могут помогать подбирать ферменты, проектировать метаболические пути и прогнозировать, как изменение одного гена повлияет на работу всей клетки. Они также могут искать условия, при которых микроорганизм производит больше нужного вещества и меньше побочных соединений.
Ещё одно направление — цифровые двойники. Так называют компьютерные модели, воспроизводящие работу настоящего промышленного реактора. С их помощью можно заранее оценивать перемешивание жидкости, поступление газа, изменение кислотности и поведение клеток, не проводя каждый раз дорогостоящий опыт на заводе.
Такая модель может показать, почему технология теряет эффективность при увеличении масштаба, и предложить более подходящие параметры производства.
При этом ИИ не заменяет лабораторные и промышленные испытания. Качество его прогнозов зависит от полноты исходных данных, а результаты всё равно необходимо проверять в реальных условиях.
Экономику и экологию предлагают учитывать с самого начала
Обычно экономическую эффективность новой технологии подробно оценивают после завершения основных лабораторных исследований. Авторы предлагают изменить этот порядок.
Технико-экономический анализ (ТЭА) следует проводить уже при проектировании микроорганизма. Он учитывает стоимость оборудования, сырья, энергии, очистки продукта и эксплуатации предприятия.
Одновременно необходима оценка жизненного цикла (ОЖЦ) — расчёт воздействия продукта на окружающую среду от получения сырья до производства, использования и утилизации.
Биологическое происхождение само по себе не гарантирует экологичности. Например, выращивание сырья может требовать больших площадей, воды и удобрений, а очистка продукта — значительного количества энергии. Поэтому новый процесс нужно сравнивать с нефтехимическим аналогом по всему жизненному циклу, а не только по происхождению сырья.
Важна и устойчивость поставок
Авторы предлагают учитывать доступность сырья, географию поставщиков, транспортные риски и возможные изменения международной обстановки.
Местное биопроизводство потенциально позволяет сократить зависимость от нефти и длинных цепочек поставок. Но новая система может стать уязвимой, если она зависит от одного сельскохозяйственного продукта или единственного поставщика питательных веществ.
ИИ может моделировать перебои, сравнивать альтернативные виды сырья и показывать, какие производственные схемы продолжат работать при нарушении поставок.
Это дорожная карта, а не готовая технология
Опубликованная работа представляет собой научный обзор и анализ существующих разработок. Исследователи не создали новый микроорганизм, завод или способ получения биопластика.
Их главный вывод заключается в том, что успешное биопроизводство нельзя проектировать только на уровне клетки. Нужно одновременно учитывать свойства микроорганизма, условия ферментации, очистку, стоимость, экологическое воздействие, характеристики материала, рынок и надёжность поставок.
Такой комплексный подход может повысить вероятность того, что перспективная лабораторная разработка действительно доберётся до промышленного производства. Похожие возможности природных «клеточных фабрик» показывает исследование о том, как бактериальные ферменты могут помочь быстрее создавать новые противоопухолевые соединения.
Литература
Kim J. Y., Yu H. E., Kim M. H., et al. Beyond petrochemicals: challenges and opportunities in industrial-scale biomanufacturing // Nature Communications. — 2026. — Vol. 17. — Art. 4819. — DOI: 10.1038/s41467-026-73835-1.