Europos Sąjungos siekis pažaboti klimato kaitą ir tapti pirmu neutraliu klimatui žemynu atsispindi ne tik naujose įstatymų direktyvose, bet ir vykdomuose moksliniuose tyrimuose. Bioekonomika ir biopramonė yra sritys, kurioms skiriama itin daug dėmesio, Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centre (VU GMC) vykdomi moksliniai tyrimai taip pat atliepia žalesnės Europos siekius. Apie iš prigimties bioskaidžių fermentų panaudojimą pramonėje, ,,žaliojo“ poliolio gamybą ir į praktinį taikymą orientuotas studijas kalbėjomės su VU GMC Biotechnologijos instituto Taikomosios biokatalizės sektoriaus vadove dr. Inga Matijošyte.

Biokatalizatoriai – alternatyva tradiciniams gamybos procesams

Taikomoji biokatalizė – tai fermentų biokatalizatorių, esančių ląstelių viduje ar izoliuotų, panaudojimas dirbtinėmis sąlygomis, cheminiams virsmams katalizuoti, paspartinti. Fermentai turi aktyvųjį centrą, kuriame yra pakeičiama prisijungusio substrato struktūra – substratas paverčiamas į produktą. Pasak dr. I. Matijošaitytės, yra keletas svarbiausių fermentų savybių, lemiančių jų pranašumą prieš tradicinėje organinėje sintezėje naudojamus katalizatorius.

„Pirmiausia, fermentai pasižymi dideliu chemo-, regio- ir stereoselektyvumu. Tai lemia mažesnę pašalinių reakcijų galimybę, lengvesnį produktų atskyrimą. Dar vienas jų privalumas – mažai reiklios reakcijų sąlygos. Įprastai fermentai veikia vandeninėje terpėje kambario temperatūroje ir beveik neutralioje pH terpėje. Be to, biokatalizatoriai yra bioskaidūs, todėl jie yra laikomi „žalesne“ alternatyva tradiciniams gamybos procesams“, – pasakoja mokslininkė.

Šios fermentų savybės skatina biokatalizės procesus diegti daugelyje pramonės sričių. „Biokatalizė glaudžiai siejasi su medicina, pramoninėmis, agro- ir jūrinėmis biotechnologijomis, taip pat su bioekonomika ir biopramonės plėtra. Bioekonomikos ir biopramonės skatinimas priklauso naujajai Europos žaliojo kurso (angl. European Green Deal) iniciatyvai, tad joms bus skiriama itin daug dėmesio“, – įžvalgomis dalijasi dr. I. Matijošytė.

Taikomosios biokatalizės srityje vykdomi tyrimai apima naujų biokatalizatorių paiešką, biokatalizatorių tobulinimą ir jų taikymą biokataliziniuose procesuose, glaudžiai bendradarbiaujama su verslo įmonėmis.

„Vykdydami užsakomuosius darbus, be fermentų panaudojimo procesuose, mes taikome ir kitus žaliosios chemijos principus: testuojame alternatyvius reakcijos komponentus – tirpiklius, pradines medžiagas, optimizuojame reakcijas siekdami sumažinti energetines ir ekonomines sąnaudas, įvertiname, ar gamybinės atliekos gali būti panaudojamos dar kartą ir ar jos yra biodegraduojamos“, – pasakoja mokslininkė.

Mokslinių tyrimų lauke – ir bioplastikai, ir cheminių plastikų perdirbimas

Dr. I. Matijošytės teigimu, polimerinių junginių sintezė iš atsinaujinančių gamtinių šaltinių turi tiek ekonominį, tiek mokslinį, tiek aplinkosauginį potencialą. Palyginti su polimerais, gautais iš naftos produktų, biopolimerai yra pranašesni dėl mažesnių gamybos sąnaudų ir aplinkos išsaugojimo. Tačiau ne visi biopolimerai yra bioskaidūs.

„Kaip pradinės atsinaujinančios medžiagos biopolimerų sintezei gali būti naudojami monomerai ir makromolekulės iš atsinaujinančių šaltinių. Pavyzdžiui, tokie monomerai kaip pieno rūgštis, itakoninė rūgštis ir jos anhidridai, gintaro rūgštis ir jos anhidridai, sebacinė rūgštis, riebiosios rūgštys, 1,4-butandiolis, sorbitolis, glicerolis, kardanolis, tuliparinas, terpenai, derva (kanifolija) ir dar daugelis kitų. Jie yra gaunami iš kukurūzų, kviečių, cukranendrių, maniokų, vytelių žolės fermentacijos ir cheminio, fizinio apdorojimo metu. Biopolimerų sintezei naudojamos ir makromolekulės, tokios kaip krakmolas, dekstranai, celiuliozė, baltymai, lignoceliulioziniai pluoštai, įvairių rūšių augaliniai aliejai ar jų pašaliniai srautai iš gamybos procesų“, – vardija dr. I. Matijošytė.

Biokatalizės sektoriuje daug dėmesio skiriama vienam labiausiai paplitusių plastikų pasaulyje – poliuretanui, kuris Europoje sudaro 7,5 proc. visų sunaudojamų plastikų.

„Tai viena iš pačių universaliausių medžiagų, iš jos gaminamos baldų detalės, čiužiniai, automobilių komponentai, statybinės medžiagos. Poliuretanas laikomas viena iš geriausiai biologiškai su krauju ir audiniais suderinamų medžiagų, todėl yra svarbus kuriant daugelį medicinos prietaisų: kateterius, širdies vožtuvus, kraujagyslių implantus, sąnarių protezus“, – pasakoja VU GMC mokslininkė.

Poliuretanai yra gaunami kondensuojant poliizocianatus ir poliolius. Biokatalizės sektoriuje vykdomi tyrimai, susiję su „žaliojo“ poliolio sinteze: „Turime sukūrę technologiją chemofermentinei poliolio sintezei iš rapsų aliejaus. Kadangi šis procesas yra dviejų stadijų, jo metu yra generuojamas ir tarpinis produktas – epoksidintas aliejus, kuris polivinilchlorido (PVC) gaminių gamyboje, žaislų gamyboje, popieriaus pakuočių gamyboje, transporto priemonių gamyboje, lakų ir dažų pramonėje bei kosmetikos pramonėje gali pakeisti dabar naudojamus cheminės prigimties plastifikatorius. Taip pat tiriame fermentus, tinkamus vienstadijinei poliolio sintezei, ir beizocianatinio poliuretano sintezės galimybes pritaikant fermentus.“

Atsižvelgiant į tai, kad poliuretano gamyba ir vartojimas yra itin masiški – vien ES sunaudojama per 3 mln. tonų, susiduriama su jo utilizavimo problema. Dr. I. Matijošytės teigimu, yra keturi pagrindiniai poliuretano atliekų perdirbimo ir panaudojimo būdai: mechaninis perdirbimas, cheminis perdirbimas, energijos išgavimas ir žiedinis atliekų perdirbimas.

„Šiuo metu nėra naudojamas joks biotechnologijomis ar biodegradacija paremtas poliuretano perdirbimo metodas. Tokio metodo sukūrimas prisidėtų prie 2018 m. Europos bioekonomikos strategijos tikslų tobulinti biodegraduojančius produktus bei plastiko pakaitų tyrimus ir kurti efektyvesnius atliekų perdirbimo metodus. Kaip pagrindas tokiai technologijai plėtoti yra tiriami mikroorganizmai ir jų išskiriami fermentai, hidrolizuojantys šį polimerą. Identifikuoti poliuretaną biodegraduojančius mikroorganizmus bei fermentus ir išsiaiškinti veikimo mechanizmą yra doktoranto Jokūbo Krutkevičiaus doktorantūrai nubrėžta užduotis“, – teigia dr. I. Matijošytė.

Mokslo ir verslo bendradarbiavimas svarbus, bet kartais stokojama supratimo

Pasak dr. I. Matijošytės, mokslo ir verslo bendradarbiavimas labai svarbus visose srityse, ne išimtis ir biotechnologijos. „Į mūsų laboratoriją kreipiasi įmonės, turinčios iššūkių, padedame juos spręsti. Dažnai tai būna bendradarbiavimas projektuose, kai esame riboti laiko atžvilgiu ir turime pasiekti išsikeltus tikslus ir rezultatą“, – pasakoja mokslininkė.

Ji pastebi, kad toks bendradarbiavimas su įmonėmis padeda ir vykdant mokslinius tyrimus, nes net ir pasibaigus bendriems projektams lieka neatsakytų fundamentinių klausimų, kurie laboratorijoje nagrinėjami toliau. Dr. I. Matijošytė bendradarbiavimą su verslu vertina labai teigiamai, bet pripažįsta, kad kartais pritrūksta tarpusavio supratimo.

„Fundamentiniai tyrimai yra labai svarbūs, kad galėtume atlikti taikomuosius. Kartais susiduriame su problema, kad į mus kreipdamasis verslas įsivaizduoja, jog surasime jiems tinkamą sprendimą per labai trumpą laiką. Būna, kad tai pavyksta pasitelkus jau turimas žinias, bet būna situacijų, kai tokių žinių neturime, o verslui atsakymų reikia greitai“, – patirtimi dalijasi mokslininkė.

Dr. I Matijošytė sako, kad bendradarbiavimo su verslu etika po truputį keičiasi: „Jauni žmonės ir jaunos įmonės turi visai kitokį požiūrį į universitete vykdomus mokslinius tyrimus ir suvokimą, kad universiteto turimi ištekliai brangūs ir nėra nemokami. Džiugu, kad bendradarbiavimo etika keičiasi. Tikiu, kad po 10 metų turėsime jau visai kitokį mokslo ir verslo bendradarbiavimo vaizdą.“

Molekulinės biotechnologijos studijos orientuotos į praktinį žinių pritaikymą

VU GMC mokslininkė pabrėžia, kad į laboratoriją atlikti baigiamųjų darbų ateinantys studentai gauna tikslines mokslines temas, kurios yra aktualios. Jie taip pat yra įtraukiami į praktines projektines veiklas.

„Turime naują molekulinės biotechnologijos magistrantūros studijų programą, kur beveik visas studijų procesas orientuotas į projektinę veiklą ir savarankišką mokymąsi. Yra vos kelios teorinės paskaitos, o visa kita dalis – praktinis taikymas“, – pasakoja mokslininkė.

Biotechnologijos mokslų sritys yra populiarios tarp studentų, tad kartais laboratorijos, siekdamos aprūpinti studentus reikiamomis priemonėmis ir suteikti jiems tinkamą infrastruktūrą, susiduria su iššūkiais.

„Į laboratoriją galime priimti tik tam tikrą studentų skaičių, nes mūsų srities moksliniai tyrimai reikalauja daug priemonių, o tam studento krepšelio nepakanka. Kartais pritrūksta ir vietos darbui, nes mokslinių tyrimų laboratorijos yra gana nedidelės, o didžiąją dalį patalpų užima reikalingi prietaisai ir aparatūra. Bet labai džiugu, kad tyrėjai noriai „priglaudžia“ studentus ir randa jiems vietos“, – pasakoja dr. I. Matijošytė.

Taikomosios biokatalizės sektoriaus tyrėjų komandinių įgūdžių formavimas žygyje per pelkes.

Mokslininkė džiaugiasi, kad pavyksta išlaikyti pusiausvyrą tarp laboratorijoje dirbančių vyrų ir moterų: „Mes šia tema padiskutuojame ir su studentais, tad esame priėję prie išvados, kad labai svarbu išlaikyti pusiausvyrą. Vaikinai labiau pasitempia siekdami palaikyti švarą ir tvarką laboratorijoje. Merginoms irgi kartais prireikia fizinės pagalbos. Tad mes dirbame labai draugiškai.“

Mokslininkė pastebi, kad merginos gyvybės mokslų sritį renkasi ne rečiau nei vaikinai. „Pažvelgus į studentų skaičius gyvybės moksluose aiškiai matyti, kad merginų yra tiek pat ar net daugiau nei vaikinų. Problema tikriausiai atsiranda truputį vėliau, kai jos baigia bakalauro arba magistrantūros studijas. Tada atsiranda daug dalykų, kurie priklauso nuo moters pasirinkimo, nuo ją supančios aplinkos supratimo ir palaikymo, tad ji pati turi nuspręsti, kaip elgtis. Mes galime tik jas įkvėpti, o visa kita yra žmogaus pasirinkimas“, – įžvalgomis dalijasi dr. I . Matijošytė.