«Наши разработки – это основа химии будущего». Интервью с ученым Андреем Ивановым

Чем занимаются ученые в Иркутском институте химии? Как можно использовать природные богатства Сибири? Имеются ли свои оригинальные разработки? Об этом рассказывает Андрей Викторович Иванов, доктор химических наук, профессор РАН, директор Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН.

— Давайте поговорим о последних научных разработках, которые ведутся у вас в институте. Например, что такое собственные стимуляторы роста?

— Это продукты для сельского хозяйства, основанные на традиционных разработках нашего института. Одним из флагманских направлений Иркутского института химии с 1970-х гг. стали изыскания в области химии гипервалентного кремния и соединений силатрановой и протатрановой структур. Автором и создателем таких структур стал известный во всем мире ученый Михаил Григорьевич Воронков, который был одним из директоров нашего института. Он придумал молекулярные структуры нетипичной валентности, первым их собрал. Их особенность, говоря простым языком, заключается в том, что их каркасная структура позволяла этой молекуле проходить через клеточные мембраны. Такие силатрановые и протатрановые структуры оказались крайне эффективными в вопросах повышения биодоступности. По сути, атрановая структура позволяет сократить требуемую концентрацию исходного вещества с нескольких миллиграммов на миллилитр (что дорого и много) до значений на несколько порядков меньших, существенно снижая тем самым и затраты. Экономический и биологический эффект очевиден. И вот на базе таких разработок Михаил Григорьевич и его школа на протяжении довольно долгих лет создавали целый спектр соединений с биологической активностью.

— В первую очередь для медицины?

— Часть этих соединений действительно использовалась в медицине, вы наверняка знаете про иммуномодулятор «Трекрезан». Это вещество, разработанное М.Г. Воронковым и основанное на том же принципе, но это медикамент для лечения человека. Для сельского хозяйства было создано другое, хотя принцип тот же: вам нужно доставить вещество внутрь растения с максимальным эффектом. Был сформирован огромный набор соединений — либо полупродуктов, либо полуметаболитов жизненного цикла животных и растений, — которые за счет этой комбинации с атрановой структурой очень резко повысили эффективность всего класса соединений. Имея возможность ознакомиться с архивом института, я поразился, как в Советском Союзе была организована внедренческая работа. Сейчас она имеет исключительно меркантильный характер. А в СССР всего этого не было. Изучая сотни протоколов испытаний каждого вещества, понимаешь, что была выстроена система. Видимо, где-то она не сработала или другая модель оказалась эффективнее. Но было очень много наработок, которые и сегодня выглядят вполне разумно. Мы до сих пор смотрим в будущее во многом благодаря этим наработкам.

— О чем именно речь?

— Например, есть такие соединения, которые Михаил Григорьевич ввел в обращение для сельского хозяйства. Одно получило название «Крезацин», другое — «Мивал». Они используются и сейчас, а мы разработали более современную технологию их получения, основанную на тех же молекулах, но с использованием базовых соединений, доступных в России в условиях санкционного давления. Наш собственный производственный участок покрывает потребности азиатской части нашей страны. В европейскую часть мы его не везем.

— Значит, здесь мы его не увидим?

— Сельское хозяйство азиатской части страны более рискованное, и логистика не позволяет доставлять далеко. Поэтому проще иметь своего локального производителя, но из-за того, что объемы меньше, его покрываем мы. А у вас в европейской части есть свой производитель.

— А технология ваша?

— Технология наша. В Советском Союзе эти вещества испытывались, например, для выращивания хлопка, льна, винограда, бахчевых культур, экзотических для азиатской части страны фруктов. Экономика получала новый и полезный ресурс, чья эффективность была проверена для всех точек СССР. Сейчас мы, по сути, занимаемся двумя направлениями: продолжаем развивать атрановую тематику, при этом пытаясь ввести более новые и современные структуры. Биологи все яснее понимают, как стимулировать рост растения. Мы больше и больше узнаем о пестицидах как о крупном классе, о механизме их действия, резко снижаем их дозу, делаем возможным применение тех пестицидов, которые раньше не использовались, потому что они были слишком ядовитыми. А теперь их можно добавлять, скажем так, в гомеопатических дозах, а эффект будет тот же.

— Только ли атрановые структуры позволяют это делать?

— Конечно нет. Мы находимся в высококонкурентном поле. Например, у нас есть коллеги из Белгородского научно-образовательного центра (Белгородский НОЦ), с которым у нас очень тесное сотрудничество. Они используют для подобных целей фуллерен — молекулу, за открытие которой была присуждена Нобелевская премия. За любую модификацию углерода дают Нобелевскую премию, и фуллерен не исключение. Наши коллеги пытаются поместить молекулы внутрь этих фуллереновых шариков. Фуллерен, по сути, похож на футбольный мячик — многогранник, состоящий из пяти- и шестиугольников, только наноразмерный. И вот они пытаются поместить либо внутрь, либо на поверхность нужную молекулу, например стимулятор роста, а мы используем наше наследие — атрановые структуры. Их легче получать, они дешевле и стабильнее. А у фуллерена есть такое свойство: он очень сильно заряжается на свету, и если на него попадает прямой солнечный свет, то он поглощает энергию и за счет того, что это напряженная структура, может начать распадаться, трансформироваться.

— Это не единственный ваш совместный проект…

— Да, у нас с ними большой проект, которым я очень горжусь, потому что это проект моей научной группы, — создание технологии индолилмасляной кислоты. Индолилмасляная кислота относится к категории ауксинов, естественных стимуляторов роста. Это вещество, которое наш организм вырабатывает как внутренний сигнал к стимуляции роста. Для достижения значительного роста растений и животных вы добавляете такие вещества, искусственно повышая их концентрацию. В Белгородском НОЦ есть специалисты по виртуозному соединению фуллерена с ауксином. Но ауксины мы везем сейчас из-за границы, мы не умеем их делать. А это и есть продовольственная безопасность страны. Перестанут нам их поставлять — мы останемся без ключевого для нас компонента. Мы приняли решение помочь коллегам. У нас есть совместный проект, который поддерживается за счет гранта Белгородского НОЦ и администрации Белгородской области, за что мы признательны.

— И на какой вы сейчас стадии?

— Из двух компонентов, которые есть в РФ, мы собрали эту молекулу. Сейчас мы находимся в стадии оптимизации, потому что сконструировали ее таким же способом, как китайские специалисты. Но мы хотим продвинуться дальше и попытаться сделать это лучше.

— А что там можно улучшить?

— Сейчас очень много говорят о кадровом дефиците в химической отрасли. Выходом из этой ситуации может стать обезлюживание химического производства, создание автоматических производств непрерывного цикла, которые не работают по принципу «загрузил — подождал — выгрузил».

— Не получится так, что сотни, тысячи людей окажутся на улице и хорошие специалисты станут никому не нужны?

— К сожалению, у нас нет сотен и тысяч специалистов. По данным Российского союза химиков, и я склонен доверять этой цифре, дефицит рабочей силы в химическом секторе сегодня составляет примерно 21–24%, а к 2030 г. достигнет 38% — почти половины.

— Почему в эту перспективную, интересную и небедную науку валом не валит молодежь?

— Главная причина в том, что ею непросто заниматься. Она перспективная, для нее действительно есть деньги, но если вы пересчитаете затраченные усилия на обучение, на последующее образование, начало карьеры будет совсем не прибыльным. А сейчас поколение довольно прагматичное. Наша профессия считается привилегированной: чтобы в ней состояться, необходимо освоить труднодостижимые знания и создать профессиональный базис. Это происходит не только в России, но и в других странах, и автоматизация — это не моя личная идея. Возвращаясь к нашему проекту в Белгороде: мы как раз пытаемся создать такое производство, чтобы там было только «включить — выключить». Я видел такую модель в Китае и был воодушевлен. Представьте: два завода производят одно и то же вещество примерно в одинаковом объеме — 40 тыс. т. Но один завод построен в конце 1990-х — начале 2000-х гг., а другой — в 2015–2018 гг. На одном заводе работают 1,5 тыс. человек, на другом — 280 человек. Это принципиальная разница.

— Неужели для жителей Китая это тоже проблема?

— Конечно. По негативному прогнозу, в Китае скоро будет меньше 1 млрд жителей. Они сейчас с этим борются и, скорее всего, справятся, но та тенденция, которую они заложили лет 20 назад, ведет сейчас к колоссальному демографическому провалу. Как и везде, спад идет по всем направлениям, в том числе в химии. Я уверен, любой доктор химических наук, любой профессор скажет, что хотя бы одно предложение о работе из Китая у него есть. Это не секрет.

— А что это за продукты на основе лесохимии Сибири? О чем идет речь?

— Должен сказать, что в постсоветский период мы утратили главную ниточку комплексности переработки леса. Чтобы было понятно: у нас отсутствуют, например, такие продукты, как скипидар.

— Неужели мы завозим его из Китая?

— Нет, из Беларуси. Мы начинаем строить на территории нашей страны свои заводы, но по-прежнему не покрываем собственной потребности даже в скипидаре. А скипидар — это один шажок до оборонки, это же порох. И в этом смысле у нас много белых пятен. Наш институт всегда старался закрывать такие пятна. Многие знают о таких продуктах, как, например, дигидрокверцетин — антиоксидант, который мы научились получать из лиственницы. Это довольно дорогостоящий продукт, который может подойти, например, для фармацевтической отрасли, в отличие от более массовой, дешевой отрасли сельского хозяйства. У нас есть лаборатория, которая занимается наноразмерными частицами. Вообще в мире наночастиц есть несколько ключевых задач. Одна из них — стабилизация наночастиц, потому что они склонны слипаться, агрегировать, уходить из наноразмера в более крупные размеры. А этот эффект — в наномире. Уходим из категории «нано» — и все, эффект пропал. Соответственно, его надо сохранить и при этом добиться биодоступности, водорастворимости.

— У вас это получается?

— В свое время в нашем институте появилось направление (его инициировал наш бывший директор, ныне научный руководитель академик Борис Александрович Трофимов), связанное с тем, чтобы использовать полисахариды из отходов лесопиления сибирских пород древесины как матрицу для стабилизации различных наночастиц. Это доступные и дешевые полисахариды, и ключевой — арабиногалактан. Используя его как матрицу и добавляя к нему различные наночастицы, наши ученые научились создавать очень интересные продукты как раз для сельского хозяйства. Первым я назову классический пестицид. Напомню: pestis — это «зараза», а caedo — «убивать». Ключевые пестициды — это те, которые представляют собой яды. И среди таких пестицидов — наночастицы селена. Селен, селенопроизводные создают наночастицы, которые стабилизируются матрицей арабиногалактана и, кстати, не только его: помимо полисахаридов, которые выделяются из продуктов сельского хозяйства нашего региона, мы еще пытаемся помочь Дальнему Востоку. Поэтому мы еще используем, например, такой полисахарид, как каррагинан. Его нет в Восточной Сибири, но зато его выделяют из бурой водоросли, избыток которой наблюдается на Дальнем Востоке.

— А эффект тот же самый?

— Да, арабиногалактан и каррагинан действуют примерно одинаково, создавая возможность их варьировать в зависимости от того, в какой зоне вы работаете — в Сибири или на Дальнем Востоке. Такие частицы оказались крайне дешевыми и эффективными в борьбе сразу с несколькими гнилостными заболеваниями картофеля. Самое распространенное — банальная фитофтора. Недавно я вспоминал историю из своего детства: поскольку оно пришлось на 1990-е гг., я, как очень многие люди, которым сейчас за 40, успел, будучи горожанином, посажать картошку, чтобы как-то выжить. Были истории, когда ты стараешься, копаешь, а она в подвале вся сгнила. Ты ее по 100 раз перебираешь, теряешь три четверти урожая. А у кого-то наверняка было и хуже. С подобными гнилостными заболеваниями наночастицы селена борются прекрасно. Причем сначала выяснили, что с ними эффективно борются наночастицы серебра. Это первые наночастицы, которые стали получать в нашем институте. Вообще наш институт был одним из лидерских, где обнаружили эффект цитотоксичности наночастиц. Наночастицы могут вызывать особый вид цитотоксичности — апоптоз, то есть не просто гибель, а разборку некоторых клеток на исходные компоненты. Мы это сделали вместе с коллегами из Ангарска, там есть институт, который занимается медицинским проблемами.

— А как вы вышли на селен?

— Стало понятно, что использовать серебро дорого и у него есть негативный эффект, и тогда стали подбирать другие частицы, которые подходили бы по размеру, заряженности и т.д. Нашли частицы селена. Сейчас наши коллеги в сельхоз- и биологических институтах пытаются решить задачу, с которой я начал, — испытать этот эффект борьбы с гнилью на максимальном количестве сибирских культур.

— Мы привыкли считать, что пестициды — нечто вредоносное, убивающее не только то, с чем борешься, но и все вокруг. А что можно сказать о ваших наночастицах? У их использования тоже есть какие-то побочные последствия?

— В том-то и дело, что нет. Главная проблема «классических» пестицидов — это бионакопление, они аккумулируются в почве и могут достигать больших концентраций. Изначально доза безопасна, но через какое-то время концентрация становится вредоносной для живых организмов. С наночастицами такого не происходит.

— Они не накапливаются?

— Наночастица представляет собой, если хотите, шоколадную конфету с орешком внутри. Арабиногалактан — это тот «шоколад», который закрывает «орешек», и он нужен для того, чтобы повысить биодоступность, помочь наночастице успешно путешествовать по крови, а также увеличивает ее водорастворимость. Но он продолжает оставаться полисахаридом. Что делает с сахаром любой живой организм? Ест, это его основной источник питания. Арабиногалактан, крахмал — источник еды. Как только полисахаридная матрица открывается (в основном за счет различных ферментов, в данном случае амилазы, которая открывает сахара), наночастица высвобождается и совершает свое действие. Например, цитотоксически действует на плесневелую структуру — клетки грибка. В момент действия она развалится, перестанет быть наночастицей. Ее эффект зачастую кроется в наноразмере. Подействовав, она перестает быть наночастицей и разбирается на исходные компоненты — в данном случае это оксид селена. А он — нутриент. Вы наверняка видели минеральную воду с повышенным содержанием селена, ее продают как очень полезную. То есть, осуществив свою миссию, наночастица превращается в нормальный нутриент, который нужен организму и не оставляет следа в живой системе. Поэтому эффект от таких наночастиц принципиально отличается от эффекта, например, имозамокса или другого пестицида — именно за счет того, что метаболиты (то, во что наночастицы превращаются после действия) не токсичны, а необходимы для жизнедеятельности.

— Правда ли, что у вас существуют программы по преодолению вредных последствий накопления «классических» пестицидов в почве?

— В нашем институте работает группа прекрасных биотехнологов, настоящих биологов, занимающихся биотехнологиями, микробиологией, созданием микробиологических подходов к утилизации накопленного ущерба, так называемой биоремидиацией. Эта лаборатория занимается культивацией, созданием и проверкой возможности быстрого промышленного размножения микроорганизмов, которые способны метаболизировать некоторые виды таких устойчивых органических загрязнителей. Сейчас эта группа сконцентрирована на очень значимом пестициде — имозамоксе. Это пестицид одного из последних поколений, достаточно эффективный, используется для выращивания почти всего «борщевого набора», это очень важные и ценные овощи.

— В том числе картошка?

— Да. К сожалению, имозамокс очень сильно накапливается в почве. Он способен метаболизировать в некоторых организмах, но делает это категорически медленно. Наши коллеги сейчас заняты тем, чтобы создать соответствующую культуру для быстрого разложения имозамокса, и у них есть уже очень хорошие результаты по созданию ассоциации микроорганизмов.

— Они создают эту культуру искусственно?

— Этот микроорганизм в природе существует, они его не придумали. Они создали такой ассоциат микроорганизмов, который помогает ему максимально быстро и эффективно расти. Ассоциат — это несколько микроорганизмов, живущих вместе, симбиотично, помогая друг другу максимально быстро вырасти. При этом тот организм, который способен поглощать имозамокс, превращать его в другие безопасные продукты, хорошо растет внутри такой ассоциации. В перспективе, если эта технология дойдет до промышленной реализации, можно будет, например, в рамках рекультивации земель залить поле на один сезон такой колонией. И к концу сезона колония полностью ликвидирует весь накопленный имозамокс, который останется в почве. При этом она не создаст другого загрязнения, будучи безопасной, потому что такие микроорганизмы, утрачивая понятный им источник пищи, прекращают свое существование, превращаясь, по сути, в биоудобрение.

— Вы уже где-то их испытали?

— Пока в лабораториях. Создаются специальные искусственные почвы, берутся образцы сельскохозяйственных почв, которые есть у нас в регионе, и проверяются на таких колониях. Те же стимуляторы роста могут помогать таким микроорганизмам расти еще больше, ускоряя этот процесс. Но это работа не по созданию стимулятора роста, а по борьбе с последствиями применения другого стимулятора. И таких исследований у нас несколько. Возвращаясь к наночастицам: есть еще один способ уменьшить нагрузку на сельское хозяйство и на природу искусственно добавляемых соединений. Чем можно заменить антибиотик? Сейчас, кажется, все знают: пробиотиками. Механизм действия очень прост: наша естественная микрофлора способна заменить антибиотик, резко повысить иммунитет без добавления антибиотиков, к которым вызывается резистентность. А резистентность накапливается, как мы знаем, возбудитель становится все более агрессивным. И один из способов остановить это, но при этом продолжить быть эффективным — замена антибиотика на пробиотик, который вызовет резкий скачок естественного иммунитета, например, у крупного рогатого скота.

— Здесь вы тоже используете наночастицы?

— Да, в этом направлении очень хорошо работают наночастицы, но уже не селеновые. Взяли минеральное удобрение и перевели его в наноразмерную фазу за счет комбинации с арабиногалоктаном. И оказалось, что в таком виде он становится практически естественным пробиотиком, который на протяжении длительного времени стимулирует самую различную микрофлору: кишечника, этих микроорганизмов, которые способны бороться с пестицидами в почве. Понимаете, насколько комплексно решается задача? С одной стороны, вы стимулируете рост нужных организмов, с другой — резко снижаете нагрузку вредных, но незаменимых сегодня пестицидов ядовитого характера. Кроме того, вы создаете аналоги пестицидов, у которых бы не было таких последствий.

— Расскажите о ваших научных планах в тех направлениях, которые мы обсуждаем.

— Я уже немного затронул работы по повышению биодоступности новых препаратов. Эти изыскания ведут несколько коллективов, когда мы берем уже известный препарат и фактически даем ему вторую жизнь, повышая его биодоступность понятным, естественным для нас способом. Либо включаем его в состав наночастицы, либо «приделывая» к нему этот атрановый «хвостик», который способен его затянуть внутрь биологической системы. Эти работы мы будем продолжать и расширять. Сейчас мы еще пытаемся создать технологию синтеза одного из ключевых гербицидов нашего мира — глифосата. Это большая и сложная цель. Вообще я люблю про него рассказывать. Этот пестицид был известен довольно давно. Он гербицид, нужен для подавления роста сорняков. Вспомним тяжелую историю прополки и окучивания картошки. Сорняки точно могут убить любой урожай, задавят и съедят все полезные вещества. Массово тяпкой их не задавить. Нужен химикат, который убил бы сорняки. Понятно, что такой химикат будет убивать и нужные растения. Одним из таких гербицидов, который применялся, как и все остальные, с определенными ограничениями, было вещество глифосат — довольно небезопасное фосфорорганическое соединение, с химической точки зрения отдаленный родственник дихлофоса. Глифосат не был ничем примечателен, пока не случилось вот что: природа смогла подстроить некоторые организмы, сделать их нечувствительными к нему. Это обнаружили биогенетики, и дальше, пользуясь тем, что на современном уровне есть секвенирование, когда мы можем полностью разложить последовательность ДНК любого организма, они нашли этот кодон, участок ДНК, который отвечает за резистентность к глифосату.

— И пересадили его тем растениям, которые убивать не надо?

— Именно! Но в генетике нельзя что-то добавить просто так. Мы же знаем, что такое лишняя хромосома, например, и к чему она приводит. В генетике надо что-то на что-то заменить. Знаете, на что заменили? Убрали способность семечка воспроизводиться, лишили его фертильности. У вас есть генно-модифицированные семена, из которых вы можете вырастить пшеницу. Но если вы посеете эту пшеницу, она не будет расти. Хлеб из нее будет прекрасным, но на этом точка. Вам придется снова поехать за семенным материалом туда, где вы купили его в прошлый раз. Представляете, какой бизнес из этого сделали? Сейчас в мире существуют лидеры по некоторым сортам, которые продают их на весь мир: Голландия, США, Великобритания, подтягивается КНР.

— Они продают такую бесплодную пшеницу?

— Да. Насколько проще ее стало выращивать! Вы засеиваете поле и заливаете его глифосатом. У вас погибает все, кроме пшеницы.

— Это выгодно с нашей точки зрения, но с точки зрения пшеницы это очень грустная история.

— К сожалению, спросить об этом пшеницу нельзя. Но от диктата пищевой цепи никуда не деться. Это сделало глифосат особенным во всей индустрии. Его не заменишь, потому что кодон рассчитан на резистентность именно к нему. Все страны теперь борются за эти генетически модифицированные семенные структуры, стараясь параллельно расширить диапазон. Уже существуют модифицированные пшеница, рожь, рапс, а вот «борщевого набора» пока нет. И сейчас генетики работают над тем, чтобы создавать такие культуры. А глифосат безумно ядовит, вызывает рак у тех, кто его использует, — аграриев заставляют надевать костюмы полной химзащиты. Но как только он отработал свое, он в течение очень короткого времени разлагается в природе на набор совершенно безопасных компонентов: фосфаты — удобрения, уксусную кислоту, которая ценна в природе, углекислый газ, воду, хлорид натрия. Представьте, сколько миллиардов долларов зарабатывают страны на глифосате.

— А что у нас?

— У нас в стране глифосат в основном завозной. Когда в 2022 г. началось санкционное давление, в четвертом квартале 2021 г. КНР ввозил в РФ глифосат по цене $5 за 1 кг, в конце первого квартала следующего года цена выросла в два раза.

— Значит, нам нужен свой глифосат? И вы его научились делать?

— Учимся. У нас в школе академика Б.А. Трофимова развивается направление, связанное с зелеными фосфорными технологиями — получением фосфорорганических соединений зеленым способом. Технология не требует получения хлорфосфорных соединений, крайне ядовитых. Сейчас команда Бориса Александровича всячески пытается найти оригинальный, четвертый способ получения глифосата. Верю, что этот коллектив, в котором уже три поколения ученых, способен решить такую задачу. Вот такая амбициозная задача будущего стоит перед нами.

— Мы тоже желаем успехов Борису Александровичу. Он ведь совсем не молод и так интенсивно работает.

— Глядя на него, многих его коллег и друзей из его поколения, я понимаю, как важна умственная деятельность. Могу сказать юным читателям: имейте в виду, что мыслительный процесс, постоянная необходимость думать и ставить себя перед каким-то сложным выбором — ваш путь к долголетию. К хорошему, функциональному долголетию, потому что все эти люди умные. Они неизбежно стареют, но у них светлые головы, и вам надо помнить об этом.