Тайна дыхания

С августа 2016 года по 2 июля 2026 года мы с коллегами занимались созданием прототипа наземной системы жизнеобеспечения, которая позволяла замыкать цикл дыхания человека на фотобиореактор. Это установка, в которой растет микроактиниум, подвид хлореллы, — рассказывает Александр Шаенко.
2 июля мы провели испытание: я надел на себя полнолицевую маску и дышал с помощью этой установки 25 минут.

Наша лаборатория состоит из трех основных частей. Эти части не разделены физически, но они довольно разные функционально: механическая (где мы решаем задачи по механообработке и сборке), электронная (задачи в области электроники, проектирования, сборки, испытаний) и биологическая (хранение и поддержание культуры, создание питательных сред). Так что у нас есть и микроскоп, и шуруповерты, и паяльники с мультиметрами — ничего необычного.

Часть необходимого оборудования на основной площадке отсутствует. У нас в команде есть прекрасный биолог Павел Николаевич Щербаков с биофака МГУ, и нас пускают поработать в его лабораторию. Нам бывает необходим хроматограф — он позволяет анализировать ионный состав среды в реакторе. В некоторых случаях необходимо посмотреть на культуру в микроскоп: увидеть, есть ли заражение.

Надо сказать, наша культура довольно простая, неубиваемая. Очень сложно ее совсем уничтожить, но у нас получалось в начале нашего десятилетнего пути. И для меня, как инженера, живая система — это система с большой предысторией. Текущее состояние устанавливается большим количеством ее предыдущих состояний. Если ей было плохо, она умирает: нельзя пофиксить ошибку и все исправить.

Когда мы запускали установку вначале, мы создавали условия для роста, по данным литературы, оптимальные: большую температуру, много света, углекислого газа. Но почему-то культура умирала. Выяснилось, что параметры оптимальности для роста зависят от плотности культуры. Культура начальной плотности — бледно-зеленая, еще очень слабенькая, содержание биомассы 0,1, может быть, 0,2 грамма на литр. В таком состоянии она очень чувствительна ко всему: может заразиться грибами, заболеть и погибнуть. В ней могут поселиться какие-нибудь «животные», которые будут ее есть. Она слабая, она за себя постоять не может, и может от кучи разных проблем погибнуть. Но если не давать сразу максимум света, много CO2 и большую температуру, а аккуратненько выводить на скорость роста, она укрепляется, становится все гуще и гуще. Густая зеленая суспензия, которая сейчас налита в реакторе — это примерно 5–6 граммов на литр, примерно в 60 раз плотнее исходной. Ей уже все нипочем. Для меня, как для инженера, эта практика стала большим открытием.

Воспроизводится самостоятельно. Обычно, чтобы провести химическую реакцию, нужно взять реактив, соли, минералы, жидкости, смешать и получить некий продукт. А у вас получается, что то, что вы запускаете для реакции, является самовоспроизводящимся. Понятно, что жизнь такая и есть, но если посмотреть со стороны, выглядит непривычно. Инструменты — они ведь обычно либо расходуемые, либо неизменные. Но не в живой системе.

Сердце нашей лаборатории — культивационная емкость фотобиореактора. Между двумя пластинами светодиодов помещен пакет из полиэтилена. В пакет подается газовая смесь, подается свет с обеих сторон, и там происходит культивация. На переднем плане — жесткая конструкция стеллажей, между которыми закреплены два листа алюминия с установленными на них светодиодами. Между светодиодами вмонтирован пакет, внутри которого плещется зеленая жижа — клетки микроактиниума в питательной среде.

Мы стараемся все покупать. Например, на лице у меня ППМ-88 — маска полнолицевая для противогаза. К ней подключаются обычными противогазными шлангами либо фильтры, либо патроны для регенерации. Можно было нацепить советский резиновый противогаз, но тогда было бы не так интересно, потому что не видно было бы лица испытателя. А это важно.

Датчики стараемся покупать, микроконтроллеры. Купили бы питательную среду, если бы она продавалась, но ее нет, приходится варить самим. Мешок для емкости, в которой происходит культивация, сначала тоже пытались сделать сами, варили его, у нас получалось плохо. В итоге мы нашли тот, который нам подходит, и переделали под использование в фотобиореакторе.

Кое-что мы сами проектировали, сами изготавливали, но в целом наша задача была собрать из максимально серийных комплектующих установку, в которой рос бы микроактиниум.

Один из известных способов выделения клеток культуры микроводорослей — это центрифугирование. Берут научную центрифугу, туда ставят емкость с микроводорослями, запускают, она крутится, и потом все разделяется на плотный осадок и на надосадочную жидкость. Мы подумали, что такая центрифуга для нас недоступна, и нужно придумать что-нибудь попроще. Начали искать на маркетплейсах по слову «центрифуга». Нашли в итоге центрифугу для получения сливок за две тысячи рублей. Оказывается, она замечательно отжимает культуру микроводорослей: туда можно залить ведро микроводорослей, и она их разделит на «обрат» и на «сливки». «Сливки» очень зеленые, очень густые, вкусно пахнут.

Самый важный параметр для работы установки — это оптическая плотность, или содержание культуры в объеме биомассы в суспензии. Там большое количество воды и обычно меньше процента, максимум полпроцента, 0,6 % — клетки культуры. Естественно, чем больше клеток культуры, тем лучше, чем выше скорость роста, тем лучше. Наш датчик оптической плотности забирает пробу из культивационной емкости, просвечивает ее, измеряет уровень сигнала, прошедшего через культуру, и дальше уже система управления, сравнивая с эталоном, вычисляет оптическую плотность.

Так как мы запускали довольно много культиваций, у нас есть опыт. Мы понимаем, как выглядит хорошая культивация, быстрая и эффективная, и как плохая. Вот эти ступеньки — это измеряемая оптическая плотность раз в 5 или раз в 15 минут. У нас получаются в лучшем случае S-образные кривые, где вначале культура какое-то время находится в лаг-фазе, то есть ничего не происходит, не растет, не умирает. Потом начинает все быстрее и быстрее расти, доходит до точки максимальной скорости роста, где наклон кривой максимальный, начинает замедляться и выходит в итоге на плато. Получается красивая S-образная кривая, как из учебников.

Если прошло пять часов от запуска, а культура не разгоняется, значит, ей что-то не нравится, что-то мешает, чего-то не хватает. Кончился CO2, например, или слишком мало света, или упала температура. Интегральный показатель самочувствия культуры — это оптическая плотность.

Другие важные показатели понадобились, когда начались эксперименты с человеком. Нужно было контролировать газовый состав — то, что человек вдыхает, и как эти параметры меняются со временем. Поэтому раз в секунду замерялись показания уровня CO2 и объемного содержания кислорода во вдыхаемой смеси. Там графики скорее похожи на биржевые котировки: резкие всплески, падения, выход на плато.

Датчики температуры тоже были очень важны, потому что для работы культуры необходимо создавать условия: нужное количество света, нужное количество углекислого газа и необходимая температура. Если все совпадает, она быстро растет. Если чего-то не хватает, другого много, а этого мало — ей не нравится. Поэтому там было два датчика температуры, датчик состояния циркуляции — в общем, разные датчики, которые показывали состояние установки.

Попутно с основной работой мы транслировали наши находки в образовательную среду. Например, установку «Жасмин» мы сделали, чтобы школьники и студенты могли научиться высокопродуктивной культивации микроводорослей.

Микроводоросли могут использоваться и в косметологии, и в пищевой промышленности, и при освоении океана. Мы сейчас ищем применение для своей разработки: считаем, что она полностью готова к использованию.