Виктор Ефимович Семененко (1932—1998) — доктор биологических наук, профессор, заместитель директора Института физиологии растений имени К. А. Тимирязева, руководитель Отдела внутриклеточной регуляции и биотехнологии фотоавтотрофных биосинтезов.
Виктор Ефимович широко известен в России и за её пределами своим вкладом в проблему саморегуляции физиологических функций в растениях. Он заложил фундаментальные основы биотехнологии фотоавтотрофных биосинтезов как способа управления биосинтетическими потенциями растительной клетки посредством целенаправленных воздействий на их регуляторные системы.
Первая его студенческая научная статья «О влиянии светового голодания на состояние хлоропластов в листьях зеленых растений» , в которой молодой исследователь наблюдал распад и деление хлоропластов Selagenella опубликована ещё в 1952 г. Сразу по окончании Киевского университета В. Е. Семененко поступил в аспирантуру к профессору А. А. Ничипоровичу в Институт физиологии растений и навсегда связал свою неутомимую научную деятельность с именем этого института, сохраняя стойкий и глубокий интерес к проблемам физиологии и биохимии фотосинтеза. Работа и общение с А. А. Ничипоровичем, оказали сильное влияние на развитие общебиологических воззрений и становление личности Виктора Ефимовича. Кандидатская диссертация была посвящена изучению индукционных процессов фотосинтетического газообмена, где впервые обнаружено явление светозависимого выделения СО2, биохимическое изучение которого в различных лабораториях привело позже к открытию фотодыхания.
Сразу же после окончания аспирантуры в 1958 г. В. Е. Семененко возглавил в лаборатории фотосинтеза ИФР группу, которая решала проблемы применения одноклеточных фототрофных микроорганизмов в замкнутых биологических системах жизнеобеспечения. Организация этой группы, инициированная А. А. Ничипоровичем, была продиктована успешным началом освоения космоса в те годы и появлением новой отрасли знания — космическая биология.
Большие успехи в освоении космического пространства в конце 1950-х и в 1960-х годов оптимизм и энтузиазм в научных кругах. Ещё до полета Гагарина в космос рассматривались перспективы длительных межпланетных путешествий, создания обитаемых инопланетных станций и орбитальных комплексов, одним из главных звеньев которых представлялись биологические системы жизнеобеспечения с использованием фотосинтезирующих организмов, в первую очередь — микроводорослей. В Институте физиологии растений АН СССР была создана специальная группа по исследованию микроводорослей, а, затем, лаборатория, которые возглавил В. Е. Семененко. Специфика систем жизнеобеспечения требовала изучения и решения целого ряда вопросов, что в течение 2-х десятилетий определяло направленность исследований лаборатории.
Прежде всего, были изучены жизнеспособность и уровень мутаций Chlorella в условиях космического полета, для чего уже 1958 году были проведены эксперименты на непилотируемых спутниках, показавшие отсутствие заметных изменений в физиологическом и популяционном состояниях водорослей в полетном эксперименте .
Не менее важным этапом явилось изучение совместимости зеленых одноклеточных водорослей и человека при их постоянном контакте. Этот вопрос решался в начале 1960-х годов в совместных экспериментах с Институтом биофизики Медицинской АН. Длительное пребывание испытателей в изолированной гермокабине с подключенным к системе газообмена фотореактором с одноклеточными водорослями не оказывало влияния на состояние экипажа и не отражалось на микроводорослях[4-6].
Параллельно с этими работами проводился подбор наиболее перспективных для систем жизнеобеспечения форм одноклеточных водорослей, интенсификация их роста, разрабатывались различные типы закрытых фотобиореакторов. В результате в течение 1,5-месячного непрерывного эксперимента была получена продуктивность Chlorella 25-30 литров кислорода с 1 литра суспензии в сутки, были созданы плоскостные фотореакторы, фотореакторы с использованием эирлифтов, турбосорберов, с форсуночным распылением суспензии в освещаемом объёме, с распределением световой энергии в суспензии с помощью различных типов световодов. Разработанный в 1967 г. В. Е. Семененко фотореактор для интенсивного культивирования микроводорослей со светораспределением с помощью световодов до настоящего времени используется в Институте Медико-биологических проблем в экспериментах с пребыванием человека в герметически замкнутых объёмах .
Принципиальным условием, определявшим возможность применения биологической системы жизнеобеспечения, была высокая степень надежности и устойчивости водорослевого звена. Разработанная В. Е. Семененко и Л. Н. Цоглиным в 1967 г. теория автоселекционных процессов в популяциях микроводорослей, экспериментально проверенная в 69-72 гг., исключила вероятность ухудшения газообменных характеристик звена и показала возможность только улучшения фотосинтетических и продукционных показателей микроводорослей в процессе их длительного непрерывного культивирования [8,9]. Степень надежности биологического звена определяется, таким образом, уровнем конструктивных и технических решений.
Наряду с регенерацией атмосферы в задачи биологической системы жизнеобеспечения входит и обеспечение полноценного питания экипажа. При ограниченном числе составляющих биологического звена большое значение приобретает «подгонка» биохимического состава микроводорослей под рацион человека. Вопросы регулирования биохимической направленности фотосинтетического метаболизма клеток микроводорослей стали одним из основных направлений исследований В. Е. Семененко, вылившиеся впоследствии в предложенную им теорию эндогенной регуляции фотосинтеза . Работы в этом направлении привели к подбору форм — продуцентов различного рода соединений и разработке методов управления биохимическим составом микроводорослей с помощью широкого спектра экстремальных воздействий на культуру [11,12]. Предложенный в 70-х годах метод двухфазного культивирования микроводорослей дал возможность вести процесс непрерывного получения биомассы с заданным химическим составом без снижения фотосинтетической активности микроводорослей [13,14].
На работах в области космической биологии была основана и современная биотехнология микроводорослей. Неоспоримая заслуга в этом принадлежит В. Е. Семененко. Широта научных интересов, свойственная Виктору Ефимовичу позволила ему выйти за рамки практической космонавтики и в 1971 г. группа была преобразована в лабораторию Молекулярных основ внутриклеточной регуляции, а затем и в Отдел внутриклеточной регуляции и биотехнологии фотоавтотрофных биосинтезов.
Фотосинтезирующие микроорганизмы все эти годы являлись основным объектом исследования В. Е. Семененко, что позволило ему не только стать признанным лидером в области экспериментальной и прикладной альгологии, но и внести большой вклад в изучение физиологии, биохимии, а в последние годы и генетики фотосинтеза. С одной стороны, микроводоросли явились прекрасной моделью для изучения принципов саморегуляции в силу чрезвычайно высокой пластичности их метаболизма. С другой стороны, изучение физиологических и биохимических основ пластичности метаболизма позволило найти возможности управления биосинтезом микроводорослей и заложить фундаментальные основы принципиально новой области биотехнологии — биотехнологии фотоавтотрофных биосинтезов [15,16]. С целью использования микроводорослей для фундаментальных и прикладных исследований под руководством Виктора Ефимовича в институте М. Г. Владимировой была создана коллекция (генофонда) микроводорослей IPPAS, которая входит в Международную ассоциацию коллекций и является в настоящее время одной из наиболее представительных европейских коллекций микроводорослей.
Исследования В. Е. Семененко, удачно сочетавшего глубокие теоретические исследования с прикладными разработками, отмечены в 1988 году Государственной премией СССР и получили широкое международное признание. Участие совместно с проф. X. Диловым в создании крупномасштабного производства биомассы в Болгарии, руководство рядом международных проектов и Европейской рабочей группой в области альгологии — далеко не полный перечень его вклада в прикладную биологическую науку [15,17].
Основные интересы Виктора Ефимовича, как он сам их формулировал, были направлены на изучение саморегулирования физиологических процессов и метаболизма растительных фотоавтотрофных клеток, а именно: на выяснение физиологических ответных реакций генетических систем растительной клетки, на выяснение молекулярной и клеточной организации механизмов эндогенной регуляции фотосинтеза, на изучение метаболизма и клеточных циклов развития фотоавтотрофных одноклеточных организмов.
На этом пути были сделаны самые весомые научные открытия и оставлен уникальный и яркий след в отечественной науке. В плеяде Российских ученых 20-го века, внесших заметный вклад в исследования первичных процессов фотосинтеза (В. Б. Евстигнеев, А. А. Красновский), структуры и биосинтеза хлорофилла (Т. Н. Годнев, А. А. Шлык), фотосинтетического углеродного метаболизма (А. Т. Мокроносов, Н. Г. Доман, Е. Н. Кондратьева, А. К. Романова), генома фотосинтетического аппарата (Н. М. Сисакян) и фотосинтетической продуктивности ценозов (А. А. Ничипорович), В. Е. Семененко занимает особое положение, посвятив свои работы изучению саморегулирования физиологических процессов и метаболизма растений.
В начале 1970-х годов Виктор Ефимович обратился к старой проблеме физиологии растений о влиянии ассимилятов (или перекорма растений) на фотосинтез с целью её расшифровки на молекулярном уровне. Для исследования существования метаболитной авторегуляции фотосинтеза были поставлены три главных вопроса: 1) какова возможная природа этого метаболита-эффектора, 2) каков молекулярный механизм его действия в хлоропласте, 3) каков механизм сопряжения фото- и метаболитной регуляции.
Для поиска среди продуктов фотосинтеза метаболита, выполняющего регуляторную роль в клетке, был использован оригинальный подход — применение модифицированных молекул глюкозы, обладающих биологической полноценностью, но ограниченной метаболизацией. Таким критериям отвечала 2-дезокси-Д-глюкоза (2дДГ), с помощью которой были проведены исследования по репрессии фотосинтеза и белоксинтезирующей системы хлоропласта. Обнаружение световой зависимости репрессирующего действия 2дДГ в дальнейшем показало тесную кооперацию процессов метаболитной регуляции с фоторегуляцией биосинтеза хлоропласта.
Уже в 1982 г. в ходе ингибиторного анализа и хронологии событий, происходящих в хлоропласте, был сделан вывод о том, что регуляторное действие глюкозы осуществляется на уровне транскрипции хлоропластной ДНК. Позднее эти выводы нашли полное подтверждение на примере транскрипции генов, кодирующих белки реакционного центра фотосистемы II. Получение регуляторных мутантов Chlorella vulgaris — сверхпродуцентов конечных продуктов фотосинтеза, а также мутантов цианобактерии Synechocystis sp. PCC 6803, устойчивых к 2дДГ [40,41], явилось новым современным подходом для изучения метаболитной регуляции, что позволило показать участие глюкозы в регуляции экспрессии генома хлоропласта и фотосинтеза на генетическом уровне.
Далее явления метаболитной регуляции фотосинтеза, изученные в модельных опытах с использованием неметаболизируемых аналогов глюкозы, удалось наблюдать в физиологических экспериментах при гипертрофированном накоплении ассимилятов в хлоропласте после заполнения пула запасных полисахаридов. Было показано, что переход фотосинтезирующих клеток к специализированным синтезам определяется действием сложной цепи генетически детерминированных событий и включает в себя процессы индуцированного синтеза и селективного протеолиза белков. Эти результаты (Г. Л. Клячко-Гурвич, Т. С. Рудова) легли в основу разработки управления направленностью биосинтезов микроводорослей и получения биомассы заданного состава с повышенным содержание углеводов, липидов или биологически активных соединений .