Научная статья на тему 'Живое «Золото» Якутии'

Живое «Золото» Якутии Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
241
53
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
CЕВЕРО-ВОСТОК РОССИИ / ЯГЕЛЬ / ПАНТЫ / ЛИШАЙНИКОВЫЕ КИСЛОТЫ / СВЕРХКРИТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ / МЕХАНОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ / NORTH-EAST RUSSIA / USNIC ACIDS / SUPERCRITICAL TECHNOLOGIES / MECHANO-CHEMICAL ACTIVATION / REINDEER MOSS / ANTLER

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Кершенгольц Борис Моисеевич, Филиппова Галина Валерьевна, Шеин Алексей Анатольевич, Хлебный Ефим Сергеевич

Привычным брендом Якутии сегодня являются такие природные ископаемые, как алмазы, золото, нефть и газ. Но все они относятся к истощимым ресурсам, а эксплуатация их месторождений крайне негативно отражается на хрупких, легкоранимых северных экосистемах. В отличие от минеральных запасов, биологические ресурсы Севера при бережном отношении к экосистемам и рациональном хозяйствовании действительно являются возобновляемыми, т. е. практически неистощимыми. Однако по сравнению с алмазами и золотом рыночная стоимость такого сырья невелика, а огромные транспортные расходы делают их использование в лучшем случае малорентабельным. Современные технологии, предусматривающие глубокую переработку исходного биологического сырья, позволяют получать из северных аборигенных растений и животных ценные конечные продукты, которые можно использовать в промышленности и медицине. В том числе с помощью механохимических процессов и сверхкритической флюидной экстракции на основе ягеля уже получены биологически активные препараты, оказывающие детоксикантное и антибактериальное действие и способные нормализовать уровень сахара в крови при диабете.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Кершенгольц Борис Моисеевич, Филиппова Галина Валерьевна, Шеин Алексей Анатольевич, Хлебный Ефим Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Живое «Золото» Якутии»

кт!2

Е-.М^пвВйый. 2013.

М*^

Привычным брендом Якутии сегодня являются такие природные ископаемые, как алмазы, золото, нефть и газ. Но все они относятся к истощимым ресурсам, а эксплуатация их месторождений крайне негативно отражается на хрупких, легкоранимых северных экосистемах. В отличие от минеральных запасов, биологические ресурсы Севера при бережном отношении к экосистемам и рациональном хозяйствовании действительно являются возобновляемыми, т. е. практически неистощимыми. Однако по сравнению с&Амазами и золотом рыночная стоимость такого сырья невелика, а огромные транспортные расходы делают их использование в лучшем случае малорентабельным. И здесь на помощь северянам могут придти современные технологии, предусматривающие глубокую переработку исходного биологического сырья с получением ценных конечных продуктов

еловечество с давних времен использует в медицине лекарственные растения, однако только в последние десятилетия стало возможным понять механизмы действия подобных лекарств и эффективно извлекать из растительного или животного сырья те биологически активные вещества (БАВ), которые оказывают профилактический и лечебный эффект благодаря своим антиок-сидантным, антибактериальным, иммуномодуляторным или ци-тостатическим свойствам.

При этом оказалось, что выраженным регу ля торным действием на организм человека, как правило, обладают не отдельные биоактивные вещества, а их определенный ансамбль (Ашмарин, 1985). В при-

КЕРШЕНГОЛЬЦ Борис Моисеевич - профессор, действительный член АН Республики Саха (Якутия), доктор биологических наук, зам. директора Института биологических проблем к ри о лито зоны СО РАН по научной работе, зав. лабораторией, почетный работник науки и техники РФ (2008), лауреат государственной премии Республики Саха (Якутия) в области науки и техники (2013). Автор и соавтор более 350 научных работ, 25 патентов

ФИЛИППОВА Галина Валерьевна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биологических проблем криолитозоны СО РАН, автор и соавтор 45 научных работ и 3 патентов

ШЕИН Алексей Анатольевич - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биологических проблем криолитозоны СО РАН, автор и соавтор 85 научных работ, 2 патентов

ХЛЕБНЫЙ Ефим Сергеевич - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биологических проблем криолитозоны СО РАН, автор и соавтор 43 научных работ и 5 патентов

Ключевые слова: Северо-восток России, ягель, панты, лишайниковые кислоты, сверхкритические технологии, механохимическая активация. Keywords: North-East Russia, reindeer moss, antler, usnic acids, supercritical technologies, mechano-chemical activation

111

Эфирные масла * Дубильные вещества

1

Якутские экоморфы Другие экоморфы Якутские экоморфы Другие экоморфы

При сравнении количественного содержания - сосна карликовая;

основных групп биологически активных веществ ■- полынь пижмолистная;

в вегетативных органах дикорастущих растений ■- полынь замещаюшая;

Якутии и других регионов Сибири и Дальнего ■-эстрагон;

Востока якутские аборигены являются несомненными ■- рододендрон Адамса лидерами. По: (Филиппова, 2003)

родном растительном сырье содержится множество способствующих накоплению в тканях растений эфир-

биоактивных веществ, различающихся по строению ных масел, подтвердили влияние этих факторов на

и пространственной структуре - изомеры, гомологи, концентрацию эфирных масел у разных видов растений

производные по степени окисленности и т. д. Такое (Пигулевский, 1950; Медведева, 1960; Хотин, 1968;

структурное разнообразие БАВ позволяет уменьшить Филиппова, 2003; и др.).

вероятность отрицательных побочных эффектов лече- Схожий эффект прослеживается и для других био-

ния, столь частых при использовании обычных моно- логически активных соединений. Например, в плодах

компонента ых хими оф армац евтических препаратов. груш и, пр ои зрастающ и х в южнобережной горн ой зоне,

Искусственно синтезировать все компоненты под об- в несколько раз больше аскорбиновой кислоты, катехи-

ного комплекса сложно, затратно, да и не нужно: эту нов и пектиновых веществ по сравнению с аналогич-

задачу относительно легко решить путем высокотехно- ными плодами, выросшими в степных условиях (Ко-

логичной переработки соответствующего возобновляе- цило и др., 1985). Зачастую условия среды вызывают

мого растительного сырья. А ряд необычных биохими- не только количественные, но и глубокие качественные

ческих свойств, присущих именно северным живым сдвиги. Например, в Таджикистане зонтичное растение

организмам, делает их особенно привлекательными юган приобретает ядовитые свойства лишь при произ-

для использования в медицине и фармакологии. растании в горах, но не в долинах (Кретович, 1986).

Северный резонанс

В целом выявлена следующая закономерность: биохимическое разнообразие существенно выше у организмов, обитающих в наиболее экстремальных условиях. Уникальность биохимии растений и животных Севе- Само это разнообразие является частью комплекса 2 Ра» заключается в присущем им высоком структурном адаптивных механизмов, функционирующих на биоразнообразии на молекулярном уровне. химическом, физиологическом, морфологическом Дело в том, что комплекс биологически активных уровнях, которые и позволяет им сохранять жизнеспо-веществ в организмах существенно различается в зави- собность в более широких пределах условий среды, си мости от климатогеографических условий: места про- В частности, ткани растений и животных, обитающих израстания, температурно -в лажн остного режима и т. п. наСевере, содержат в 1,5 — 2,5 раза бо л ып е би ол огичес -Так, еще в конце XIX в. знаменитый русский химик ки активных веществ регуляторного и защитного дейс-А. М. Бутлеров отмечал, что температура, влажность твия по сравнению с аналогичными видами, живущими воздуха и степень освещенности влияют на накопле- в более мягких климатических условиях. И этот фено-ние в растениях эфирных масел - группы соединений, мен определяет их высокий потенциал использования оказывающих выраженное физиологическое действие в фармакологии.

(Балковая,1958).Дальнейшиеи сс лед ов анияусловий, Р аз работкой технологий производства биопрепа-

Температурно-влажностный коэффициент (Т 0С/влажность)

Число фракций биологически активных веществ в надземной части нескольких видов полыни свидетельствует о том, что молекулярное разнообразие в тканях растения напрямую связано с экстремальностью условий его обитания. По: (Кершенгольц Б.М., Филиппова и др., 2002)

В Институте биологических проблем криолитозоны СО РАН для производства препаратов из растительного сырья используются современные технологии механохимической активации (мельница-активатор) (внизу) и сверхкритической флюидной экстракции (справа)

Полынь якутская

Полынь эстрагон

Полынь чернобыльник

ратов из местного природного сырья занимаются в Институте биологических проблем криолитозоны СО РАН (Якутск) при участии УНПК «Биотехнологии» Северо-Восточного федерального университета. Еще в 1990-е гг. здесь с использованием технологий ультра- и нанофильтрации и низкотемпературного фракционирования была создана серия препаратов («Эпсорин», «Роксирин» и др.) с иммуномодулятор-ным, адаптогенным и радиопротекторным действием из пантов северного оленя, эндокринных органов других аборигенных видов животных и тканей растений.

Приметой тундровых ландшафтов (а также основным компонентом зимнего рациона северных оленей) служит легендарный ягель, называемый также оленьим мхом. Это название объединяет группу лишайников рода С1ас1опш, тела (слоевища) которых содержат массу биологически активных веществ, в том числе особые лишайниковые полисахариды и кислоты. На основе этого сырья в институте в последние годы создан ряд уникальных биологически активных препаратов.

Лишаи ни к- целитель

Основным действующим веществом препарата являются амино-р-олигосахариды. Эти от-неболыпие молекулы способны легко в полости рта и желудочно-кишечном проникать в межклеточные жидкости и в сами В организме они действуют как «чистильщики», комплексы с «враждебными» для организма от эндотоксинов, образующихся в организме при воспалительных процессах, токсикозах любой этиологии и химиотерапии, до экзотоксинов - тяжелых металлов, радионуклидов, органических канцерогенов и т.п. Эти комплексы затем выводятся из организма через почки (в случае, если среди токсинов преобладают водорастворимые компоненты) либо через кишечник (при преобладании жирорастворимых компонентов).

Амино-р-олигосахариды имеют еще одно уникальное свойство: они способны бороться с метаболическими нарушениями: нормализовать уровень сахара крови у больных диабетом 2-го типа и уровень р-холестерина у страдающих атеросклерозом. Нормализация уровня сахара крови у диабетиков происходит за счет стимуляции секреции инсулина р-клетками поджелудочной железы, а также улучшения всасывания глюкозы в клетках за счет модификации поверхностного слоя клеточных мембран.

Технология производства «Ягеля» включает экст-

Сегодня ягель является не только кормом для оленей: недавно специалисты Северо-Восточного федерального университета создали опытные образцы хлеба «Полярный» с добавлением ягеля

.Лмин°-Р-олигосэхэрид он;он

ракцию в среде сверхкритического углекислого газа -уникальной субстанции, обладающей одновременно свойствами и жидкости, и газа. В качестве растворителя такая среда соединяет преимущества газов (высокий коэффициент диффузии, невысокая вязкость) с достоинствами жидкостей (высокой плотностью и растворяющей способностью), при этом ее растворяющей способностью можно управлять, варьируя давление и температуру. Кроме того, в отличие от классических растворителей углекислый газ сам по себе не токсичен, дешев и легко регенерируется, а полученные экстракты не требуют дорогостоящей очистки.

При производстве «Ягеля» в среде сверхкритического С02 идет активный гидролиз лишайниковых полисахаридов: в оптимальных технологических условиях при давлении 95 атм. и температуре 45 °С) выход амино-р-олигосахаридов достигает 55—75 % в конечном продукте. Попутно происходит также экстракция флавоноидов и усниновых кислот, обладающих антибактериальным действием.

На основе лишайникового сырья разработан специальный антибактериальный препарат «Ягель-М» с комплексом природных антибиотиков. Лишайниковые кислоты (леканоровая, физодовая, усниновая и др.) способны эффективно уничтожать многие патогенные и условно-патогенные штаммы микроорганизмов. Кроме того, как было показано в прямых экспериментах, использование этих антибиотиков не приводит к формированию у микроорганизмов лекарственной устойчивости. (Филиппова и др., 2008)

«Ягель-М» получают путем так называемой механо-

Амино-р-олигосахариды, получаемые из ягеля, являются мощными детокси кантам и благодаря способности образовывать супрамолекулярные комплексы с токсинами различной природы (например, карбонильными соединениями и катионами тяжелых металлов)

химической активации слоевищ лишайников. Подобные технологии основаны на феномене химических и физико-химических превращений вещества, которые происходят в твердых телах в результате механических воздействий (например, при измельчении на специальных мельницах-активаторах). При производстве «Ягеля-М» в результате твердофазной химической реакции комплекс лишайниковых кислот переводится в водорастворимую форму, а затем выделяется. Эта механохимическая технологии была разработана совместно со специалистами из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск).

Больше, чем доставка

Вышеупомянутое свойство лишайниковых р-олиго-сахаридов связывать в супрамолекулярные комплексы различные низкомолекулярные вещества позволяет использовать их не только как мощный детокси кант, но и, напротив, как активный носитель при введении в организм фармаконов, терапевтических веществ природного или искусственного происхождения.

Оказалось, что р-олигосахариды также можно получить в результате твердофазной химической реакции, при которой происходит расщепление очень прочных гликозидных связей в лишайниковых р-полисахаридах. В результате совместно с сотруднками лаборатории механохимических биотехнологий Северо-Восточ-ного Федерального Университета была разработана механохимическая технология производства из ягеля высокоактивных твердофазных супрамолекулярных

115

|ЛП

1,05

1,10

0,85 |лп а

116

комплексов биологически активных веществ, в которых в качестве фармакона выступают антибактериальные , лишайниковые кислоты либо уже известные препараты - антибиотики, иммуномодуляторы, адаптогены, цитостатики, в итаминно-микроэлементные комплексы и т.д. (Аныпакова и др., 2012).

Независимо от природы действующего лекарственного вещества весь процесс образования как самого «носителя», так и его комплексов с фармаконом протекает в твердой фазе в одну стадию. В результате на выходе получается порошковый продукт, который можно капсулировать либо таблетировать. Поскольку «активное вещество» образует с (3-олигосахаридами очень мелкие (наноразмерные) комплексы, доступность и, соответственно, эффективность лекарственного препарата повышается в 5—10 раз.

В институте в доклинических испытаниях была исследована эффективность двух препаратов, сырьем для которых, помимо слоевищ лишайников, служат якутские лекарственные растения - родиола розовая и рододендрон золотистый, известные своими тонизирующими и адаптогенными свойствами. В экспе-

В ИБПК СО РАН (Якутск) механохимическая технология активации растительного сырья была адаптирована для производства дигидрокверцитина, известного рекордной антиоксидантной активностью. Помимо медицины, это вещество можно использовать как консервант при производстве пищевых продуктов, а также для предупреждения старения полимерных материалов и коррозии металлических конструкций, в первую очередь нефтепроводов и газопроводов. Обычно дигидро-кверцитин получают из отходов при лесозаготовке и ле-сопереработке лиственницы, но использование простой и экологически безопасной механохимической технологии позволяет в десять раз понизить его себестоимость и существенно расширить сферу его применения

Получаемый по механохимической технологии порошок ягеля состоит из наноразмерных частиц, что повышает доступность и эффективность препарата. Вверху -структура поверхности порошка обычного помола (а) и механохимического (б)

риментах на мелких лабораторных животных такие «механохимические» препараты повышали устойчивость особей к физической нагрузке, их двигательную и исследовательскую активность в 2,5—50 раз, по сравнению с обычной измельченной растительной смесью либо однокомпонентным препаратом (Аныпакова, Кершенгольц, 2013).

По-видимому, механизмов такого эффективного биологического действия может быть несколько. Во-первых, лишайниковые (3-олигосахариды, связывая то или иное «активное вещество», облегчают его транспорт в кровь и далее, к клеточным мембранам. Во-вторых, и сами (3-олигосахариды с их высокими детоксикационными способностями могут повышать адаптивный потенциал и выносливость организма (в данном случае, способствуя выведению молочной кислоты, которая накапливается в мышечных клетках при физической нагрузке).

Очевидно, эти механохимические композиты можно использовать в качестве лечебно-профилактических средств для повышения физической активности, выносливости и работоспособности спортсменов и людей, ведущих активный образ жизни, особенно проживающих в экологически неблагополучных регионах.

Схожие результаты получены и при применении механохимического композита из слоевищ лишайников и стандартного «витаминно-микроэлементного комплекса». На группе добровольцев было показано, что употребление этого препарата в течение 2—3 недель почти вдвое повышает устойчивость организма к действию физических нагрузок и экстремальных факторов различной природы по сравнению с потреблением аналогичной смеси грубого помола (Аныпакова, Кер-

шенгольц, 2013). Важно отметить, что применение всех этих механохимических препаратов не способствовало наращиванию мышечной массы, что означает, что они не обладают анаболическим действием.

Современные инновационные технологии позволяют не только наиболее экономичными и экологичными способами извлекать из природного сырья биологически активные вещества, но и в некоторых случаях создавать принципиально новые продукты непосредственно в процессе его переработки. В результате из недорогого и возобновляемого сырья удается получать продукты, пользующиеся большим рыночным спросом.

Такая высокотехнологичная глубокая переработка растительных ресурсов Севера позволяет производить ценные лечебно-профилактические препараты, а также полезные продукты для пищевой промышленности, сельского хозяйства и технической сферы. Безусловно, что дальнейшее развитие и внедрение в производство подобных разработок, создание соответствующих высокоэффективных и рентабельных отраслей промышленности внесет весомый вклад в решение ряда актуальных социально-экономических и экологических проблем северного региона.

Литература

Аньшакова В. В., Каратаева Е. В., Шарина А. С. и др. Возобновляемое сырье Якутии: состав, свойства, биотехнологические аспекты применения (обзор). Часть 3. Разработки на основе лишайникового сырья (твердофазные биопрепараты) //Наука и образование. 2012. №2. С. 86—92.

Кершенгольц Б.М. Западные сенсации и российские приоритеты//Науч.-полит. и информ. журн. инноваций в России и за рубежом «НЭП-XXI век. Наука. Экономика. Промышленность». 2006. № 2. С. 78—80.

Кершенгольц В.М., Филиппова Г. В. и др. Изменения качественного и количественного состава эфирных масел полыней Якутии в зависимости от экстремальности погодныос условий //Наука и образование. 2002. №1. С.45-49.

Кершенгольц Б.М., Аньшакова В. В., Хлебный Е.С., Шеин A.A. Интеграция образования, науки и производства как неотъемлемый компонент разработки и реализации инновационных биотехнологических разработок на Северо-Востоке России // Ежегодник «Россия: тенденции и перспективы развития». 2010. Вып., 5, Ч. II. С. 209-211.

Филиппова Г.В. Температурно-влажностные условия среды и антиоксиданты в дикорастущих травянистых растениях // Наука и образование. 2003. №1. С. 42-46.

Авторы и редакция благодарят Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН за предоставленные фотографии

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.