Текст книги "От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии"
Автор книги: Илька Реннеберг
Соавторы: Рейнхард Реннеберг
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 9 страниц)
Керамические фигурки (терракота) изображают работу древнегреческих пекарей в Ⅴ в. до н. э.
Предисловие
Перед нами книга, занимательно и с увлечением рассказывающая об истории, современном состоянии и необыкновенных возможностях биотехнологии – самой передовой отрасли биологии, которая наравне с микроэлектроникой и робототехникой в настоящее время играет определяющую роль в научно-техническом прогрессе.
Применение биологических процессов и систем в производстве – вот чем занимается биотехнология. Более конкретно биотехнологические методы включают микробиологический синтез, генную инженерию, клеточную и белковую инженерию, инженерную энзимологию, культивирование клеток растений, животных и бактерий, методы слияния клеток. Исторически биотехнология возникла на основе традиционных микробиологических (большей частью бродильных) производств; ведь многие подобные «технологии» неосознанно применялись ещё в древности при получении вина, пива, хлеба и других пищевых продуктов. Дальнейшее развитие этих традиционных биопроизводств было связано с успехами в области биохимии и других наук биологического цикла.
Современная биотехнология оказывает огромное влияние на все аспекты практической деятельности человека. С её помощью в настоящее время получают десятки дорогостоящих биологически активных веществ, среди них гормоны, ферменты, витамины, антибиотики, некоторые лекарства. Огромна роль биотехнологии в медицине. Здесь благодаря применению генной инженерии, позволяющей «встраивать» чужие гены в клетки-продуценты, удаётся нарабатывать в неограниченных количествах такие ценнейшие лекарства, как человеческий инсулин, интерфероны, моноклональные антитела. Чрезвычайно важное значение имеет биотехнология в экологизации промышленных производств на основе создания безотходных процессов; биотехнологические методы применяются при очистке воды; биологические методы подавления вредителей сельскохозяйственных культур уверенно вытесняют, казалось, не имеющие конкурентов химические инсектициды. Благодаря биотехнологии разработаны и внедрены энерго– и ресурсосберегающие производства. Биотехнологические процессы являются базой для получения кормового и пищевого белка; в настоящее время в мире 5 % кормового белка производится с помощью микробиологической переработки нефти. Биотехнологическим путём получают возобновляемые источники энергии.
Новые биотехнологические процессы, вполне возможно, приведут к дальнейшей революционизации различных отраслей промышленности. Поистине фантастическое будущее связывается с развитием белковой инженерии, биоэлектроники (биосенсоры, биоэлементы для ЭВМ), с получением новых стимуляторов роста растений, высокоэффективных лекарственных препаратов.
Однако советский читатель имеет в своём распоряжении всё ещё очень немного книг, с помощью которых он мог бы познакомиться с биотехнологией. Особенно остро ощущается нехватка научно-популярной литературы на эту тему.
Книга молодых учёных из ГДР Ильки и Рейнхарда Реннебергов поможет очень многим, даже не посвящённым в тонкости академической науки, а также не обладающим глубокими профессиональными знаниями по биологии, химии, медицине понять многие процессы, с которыми приходится сталкиваться в повседневной жизни. Кто знает, может, прочитав эту увлекательную «повесть», читатель почувствует вдруг неодолимое влечение узнать всё это глубже, подробнее? Такой интерес – огромная награда авторам.
Хочется надеяться, что книга вызовет интерес многих читателей, особенно подрастающего поколения учёных – старшеклассников, молодёжи, чей пылкий ум так необходим для дальнейшего развития мировой науки, в частности биотехнологии.
Г. Лойдина
Дополнительная литература [1]1
Представлено Г. И. Лойдиной.
[Закрыть]
Баев А. А. Биохимия, молекулярная биология, генетическая инженерия – взгляд в будущее.– Изв. АН СССР, серия биологическая, № 2, 1986, 169—180.
Бетина В. Путешествие в страну микробов.– М.: Мир, 1976.
Вакула В. Биотехнология: Что это такое? – М.: Молодая гвардия, 1989.
Голомзик А. М. Новые профессии микробов.– Свердловск: Ср.-Уральское изд‑во, 1974.
Де Крюи П. Охотники за микробами.– М.: Молодая гвардия, 1987.
Манаков М. И., Победимский Д. Г. Теоретические основы технологии микробиологических производств.– М.: Агропромиздат, 1990. Микромир жизни/Под ред. Д. М. Гольдфарба.– М.: Знание, 1985.
Муромцев Г. Сельскохозяйственная биотехнология: Состояние, перспективы развития.– Международный сельскохозяйственный журнал, 1986, № 3, 59—61.
Попова Т. Е. Развитие биотехнологии в СССР.– М.: Наука, 1988.
Реннеберг Р. Эликсиры жизни: Пер. с нем.– М.: Мир, 1987.
Тузова Р. М. Микроорганизмы на службе животноводства.– Минск: Ураджай, 1985.
Шигаева М. X. Путешествие в мир невидимок.– Алма-Ата: Наука, 1979.
Яковлев В. И. Технология микробиологического синтеза.– Л.: Химия, 1987.
Открытие нового мира
Диковинные «зверушки» Антони ван Левенгука
«Он, кажется, начинает сходить с ума»,– шушукались между собой жители голландского города Делфта – соседи весьма уважаемого лавочника Антони ван Левенгука (1632—1723), который с некоторых пор стал упрямо утверждать, что в каждой капле воды, взятой из дождевой бочки или из городского канала, содержится, подумать только, больше живых существ, чем имеется жителей во всей Голландии.
Всё началось с того, что Левенгук обучился у одного оптика на ярмарке искусству шлифовки линз. После этого он с подлинной одержимостью стал изготавливать для себя всё более сильные увеличительные стекла. С помощью самодельных «микроскопов» ему удалось достигнуть поразительных увеличений. Лавочник мог часами просиживать, забавляясь тем, что тонкий овечий волосок становился под его микроскопом толстым канатом; он разделял под микроскопом на отдельные части мушиную головку, рассматривал блох и вшей.
Антони ван Левенгук за своим микроскопом.
Однолинзовый микроскоп Левенгука, с помощью которого любознательный голландец достиг почти 280‑кратного увеличения. Исследуемый материал крепился на острие микрометрического винта и передвигался перед линзой.
Однажды Левенгуку пришла в голову мысль посмотреть под микроскопом каплю воды из дождевой бочки. Каков же был его испуг, когда он увидел скопище маленьких существ! Они резво плавали взад и вперёд и, казалось, играли друг с другом! Существа эти были в тысячу раз меньше, чем глаз вши. По настоянию одного из своих друзей Левенгук в 1673 г. написал исполненное воодушевления письмо в самое представительное научное учреждение того времени – Лондонское Королевское общество[2]2
Основано в 1660 г. Среди инициаторов создания Общества был Роберт Бойль, в числе первых руководителей – Роберт Гук и Исаак Ньютон. – Прим. перев.
[Закрыть]. Учёные мужи с удивлением знакомились с описанием «жалких маленьких зверушек», как называл Левенгук обнаруженных им диковинных крохотных созданий. «Они останавливаются, одно мгновение кажутся неподвижными, затем начинают вращаться со скоростью волчка, и траектория их движения не больше окружности песчинки. Я должен сказать,– писал в своём послании дотоле никому неизвестный лавочник,– что я никогда ещё не видел такого впечатляющего зрелища, как эта жизнь тысяч крохотных созданий, обитающих в одной-единственной капле воды».
Вот так голландский лавочник открыл человечеству новый мир – мир микроскопически малых живых существ – микроорганизмов.
В 1683 г. Левенгук сделал, пожалуй, самое важное из своих открытий. Он соскрёб налёт со своих зубов и поместил его под микроскоп. Он увидел, как резвятся уже другие существа, ещё более крохотные, чем зверушки из дождевой бочки, как перекатываются малюсенькие шарики, тащатся согнутые палочки и вихрем проносятся в самых разных направлениях быстрые, как стрелы, спиральки. Левенгук зарисовал своих крошек и послал свои рисунки в Лондон в Королевское общество. Это было первым изображением живых бактерий.
Первое изображение живых бактерий. Зарисовка Левенгука, которую он вложил в своё письмо, обращённое Лондонскому Королевскому обществу. При рассмотрении зубного налёта он увидел такие бактериальные формы, как палочки, кокки и спириллы. Теперь нам известно, что в 1 г зубного налёта содержится ~100 000 000 000 микроорганизмов, среди них есть и такие бактерии, которые питаются сахаром, выделяя кислоту, в результате чего происходит разрушение зубов (кариес).
На заседаниях Лондонского Королевского общества демонстрировались интересные новые эксперименты; как раз в то время организация их проведения была поручена английскому естествоиспытателю Роберту Гуку (1635—1703). Сам он, изучая с помощью своего усовершенствованного многолинзового микроскопа бутылочную пробку[3]3
На изготовление бутылочных пробок обычно идёт кора пробкового дуба.– Прим. перев.
[Закрыть], обнаружил в ней регулярно расположенные маленькие поры, которые он предложил назвать «клетками». Следуя указаниям Левенгука, Гук воспроизвёл конструкцию его микроскопов и сумел подтвердить его наблюдения; однако он не подозревал, что маленькие «зверушки» тоже состоят из клеток, правда, как правило, лишь из одной-единственной клетки.
Многолинзовый микроскоп Роберта Гука, с помощью которого он обнаружил растительные клетки на тонком срезе бутылочной пробки.
Изображение отмерших растительных клеток. Рисунок из книги Гука «Микрография».
Теперь члены Королевского общества смогли воочию убедиться в существовании микроскопически малых живых существ. «Зверушки» вызвали у них живой интерес. Левенгук, никогда не учившийся ни в каком университете, был единогласно избран членом Лондонского Королевского общества. Благодаря своим умелым рукам, любознательности и терпению он достиг гораздо большего, чем многие учёные его времени, которые подчас на вопрос, сколько зубов у осла, предпочитали искать ответ в трудах древнегреческого естествоиспытателя Аристотеля вместо того, чтобы попросту заглянуть в пасть длинноухому.
Открытиями Левенгука интересовались короли, знатные люди и, конечно же, учёные всех стран. Его посетили королева Англии и король Пруссии Фридрих Ⅰ, а также русский царь Пётр Ⅰ, проживавший в то время в Голландии под чужим именем с целью изучения кораблестроительного дела. Довольно долго «крошкам» просто дивились как курьёзу, но затем интерес стал постепенно угасать и о них стали забывать. Никто тогда не мог предположить, что именно подобные зверушки вызывают опустошительные эпидемии, а также что им мы обязаны тем, что можем наслаждаться хрустящим хлебом, хорошо сброженным пивом, благородным вином и превосходным сыром. Ещё ничего не ведая, человек уже в течение тысячелетий «эксплуатировал» чудесных зверушек.
Биотехнология наших предков: пивоварение, хлебопечение и виноделие
Более чем 6000 лет тому назад шумеры Двуречья (территория между Тигром и Евфратом) уже владели искусством пивоварения: из проросших зёрен они изготовляли сытный, стойкий и пьянящий напиток. Для этого после увлажнения ячмень или полба – ранняя культурная форма пшеницы – проращивались. Из проросших зёрен, то есть из солода, выпекали «пивные хлебцы», измельчали их и заливали водой. С помощью сита, сплетённого из ивовых прутьев, жидкость отделяли от твёрдого осадка и разливали в глиняные сосуды, которые хранили затем закупоренными. Вскоре из жидкости в сосудах начинали подниматься пузырьки газа, т. е., как сказали бы мы сегодня, жидкость начинала бродить. Так из этого сладковатого сиропа возникал напиток, содержащий спирт; это и было пиво тех времен.
Преемникам культуры шумеров, вавилонянам, было известно уже более 20 различных сортов пива. Пивоварение имело у них важное государственное значение. Так, Хаммурапи, наиболее могущественный властитель вавилонян (1792—1750 до н. э.), повелел высечь на камне, что пивовары, уличённые в тайном разбавлении пива водой, будут жестоко наказаны: либо они будут утоплены в собственных пивных сосудах, либо их заставят пить изготовленную ими же бурду до тех пор, пока они не упьются до смерти.
Умели варить пиво и древние египтяне. Осирис, бог земли и плодородия, одновременно почитался ими как бог пива. Египтяне уже знали, что брожение наступит скорее, если добавить отстой удачно сваренного пива. Естественно, они и не подозревали, что брожение обусловлено живыми организмами, дрожжами. Размеры дрожжевой клетки составляют всего лишь около сотой доли миллиметра. А для того чтобы быть воспринятой человеческим глазом хотя бы в виде точки, ей следовало бы быть по крайней мере в 5—10 раз больше.
Жёлтые шарики дрожжевых клеток сумел отыскать под микроскопом в капле пива опять-таки всё тот же Левенгук. К этому времени дрожжи уже употребляли в концентрированном и очищенном виде как для хлебопечения, так и для пивоварения и для получения вина.
Дрожжи относят к низшим грибам, их называют также почкующимися грибами, так как они размножаются почкованием. Дрожжи состоят всего лишь из одной-единственной клетки. Эта материнская клетка образует при почковании отдельные выпячивания, «дочерние клетки», которые отшнуровываются (отделяются), после чего они способны к самостоятельному существованию и могут в свою очередь образовывать новые клетки. Например, поступающие в магазины прессованные дрожжи легко размножаются в подсахаренной воде.
Сегодня, как и во времена шумеров, процесс приготовления пива начинают с проращивания ячменя, его превращения в солод. После этого образовавшийся солодовый «корж» измельчают, смешивают с тёплой водой и помещают в заторный чан в качестве «затора». Здесь из крахмала, отложенного в зёрнах, в течение нескольких часов образуется солодовый сахар (мальтоза). Затем твёрдые компоненты затора отфильтровывают, а остающуюся сладкую жидкость переливают в пивоваренный котёл. Туда же добавляют хмель. Он придаёт пиву пряный горьковатый вкус. Получающееся таким образом «сусло» сливают в бродильный чан и добавляют «пивные дрожжи». Тогда начинается брожение. По окончании брожения пиво на некоторое время оставляют в чане, где оно должно «дозреть». В заключение пиво подвергают кратковременному нагреву для того, чтобы убить вредных микробов, и затем разливают по стеклянным бутылкам, жестяным банкам и другим сосудам.
Таким образом, основные процессы в современном пивоварении те же, что и много тысяч лет назад, только прежде люди для достижения тех же целей использовали работу микроорганизмов неосознанно. В настоящее время техническое использование микроорганизмов, то есть живых существ, называется биотехнологией (от греч. bios – жизнь). Пивоварение, виноделие, хлебопечение, сыроварение, производство уксуса и квашение капусты – всё это процессы, которыми человек более или менее хорошо владел уже в течение тысячелетий. Да и сушка мяса, рыбы и овощей, копчение и засолка также относятся к способам предохранения пищевых продуктов от порчи, только здесь упор делается на то, чтобы не допустить развития вредных микроорганизмов, тогда как, к примеру, при приготовлении вина необходимо, чтобы происходило размножение полезных микроорганизмов, то есть дрожжей.
Почти все народы Древнего мира пришли к тем же открытиям, что и шумеры. Так, в одном старом индийском сказании рассказывается, что боги Баруна и Сура нашли в дупле отмершего дерева опьяняющий напиток, образовавшийся из дождевой воды и спелых плодов. Германцы пили мёд – напиток типа пива, сваренный на меду. Древние греки и римляне предпочитали перебродивший виноградный сок – вино. Африканцы получали из пшена пиво «помбе». Азиатские степные народы сбраживали в кожаных мешках кобылье молоко, превращая его в кумыс, японцы готовили саке́, алкогольный напиток из риса.
Процесс приготовления вина сегодня также принципиально почти не изменился с тех древних времён: после сбора урожая красный и белый виноград давят и из этой массы путём отжимания получают виноградный сок. Потом этот сок бродит в закупоренных сосудах. Когда образовавшееся вино созревает, его фильтруют и разливают по бутылкам. Разумеется, в древности люди не знали, что на виноградинах находятся дрожжевые грибки, которые попадают в сосуды вместе с выжатым соком и обусловливают брожение; в настоящее время к соку добавляют специально выращенные дрожжи.
Когда вино длительное время стоит открытым или же если бродильный сосуд неплотно закупорен, вместо вина образуется кислая жидкость. Каждый может у себя дома легко наблюдать превращение спирта в уксус. Например, уксус возникает тогда, когда остатки пива или вина стоят в течение нескольких дней незакрытыми в тёплом помещении. Шумеры также были уже знакомы с приготовлением уксуса. Древние греки и римляне даже пили разведённый уксус в качестве освежающего напитка. В основу современного промышленного получения уксуса положен так называемый немецкий способ, согласно которому разведённый спирт пропускают через буковые стружки, на которых закреплены соответствующие бактерии, незамедлительно превращающие этот спирт в уксус.
Дрожжи образуют спирт лишь до определённой концентрации, не превышающей 8—10 %, при более высоком содержании спирта дрожжевые клетки начинают отмирать. Поэтому пиво и натуральные вина содержат относительно небольшие количества спирта. Напитки большей крепости, такие, как водка, стали известны, по-видимому, лишь начиная с ⅩⅡ в. В те времена получение водки происходило путем нагревания вина в закрытом котле[4]4
По старой терминологии этот процесс назывался винокурением.– Прим. перев.
[Закрыть]. Спирт испаряется уже при 78 °C, следовательно задолго до испарения воды, которая закипает только при 100 °С. Образующиеся пары спирта направлялись в трубку, охлаждаемую холодной водой, где конденсировались; жидкость стекала в виде капель в приёмник. Таким образом получали высококонцентрированный спирт. На современных спирто-водочных заводах чистый спирт получают из картофельного или зернового крахмала. Сначала крахмал превращают в сахар, сахар сбраживается дрожжами до спирта, который нагревают и затем конденсируют (этот процесс испарения и последующей конденсации называется дистилляцией или перегонкой).
Хлебопечение было «изобретено», вероятно, позднее пивоварения. Вначале людям был известен только плотный пресный хлеб. Лишь примерно около 6000 лет тому назад древнеегипетские пекари стали выпекать пористый хлеб из заквашенной (забродившей) мучной кашицы. Это кислое тесто содержало многочисленные пузырьки газа, возникшие в результате брожения. Тесто вспучивалось («подходило») и становилось рыхлым. При выпекании брожение прекращалось, так как высокая температура в печи убивала клетки дрожжей. Образующийся при брожении спирт улетучивался, и в выпеченном тесте оставались только сотообразные пустоты.
Помол и выпечка хлеба в Древнем Египте.
Выпечка хлеба германскими племенами.
Помол и выпечка хлеба в Древнем Риме.
Хлебопекарня в Западной Европе в период средневековья.
Сегодня хлеб изготовляют из смеси муки, дрожжей, солода, соли и воды. Замешанное тесто оставляют «подходить» на несколько часов; в это время в тесте и происходят процессы брожения. Затем машина разделывает тесто на порционные куски – будущие буханки или батоны. Эти порции должны вновь «подойти», после чего их раскатывают и помещают в формы для выпечки. Прежде чем тесто попадёт в печь, оно должно опять «подойти». Выпечка хлеба занимает примерно 20 мин, после чего из печи вынимают хлебы с хрустящей корочкой и оставляют их для остывания.
Процессы в современном хлебопекарном производстве. В кислом тесте происходит превращение крахмала муки в сахар. Дрожжевые грибы, вызывая брожение, выделяют из сахара углекислый газ, который разрыхляет тесто (тесто «подходит»), и этиловый спирт, который улетучивается при выпечке. Молочнокислые бактерии обусловливают характерный вкус хлеба, в связи с этим при производстве белого хлеба используют только дрожжи.
На современном хлебозаводе. Чан для теста.
Смесительный и бродильный отделения чана.
Готовое тесто покидает бродильный чан для формования буханок хлеба, где повторно «подходит».
Прежде чем испечённый хлеб попадет к потребителю, он ещё должен остыть.
О сыре и кислой капусте
Когда человек начал приручать овец, коз и крупный рогатый скот и получать от своих домашних животных молоко, то он познакомился и с кислым молоком, которое возникало как бы «само по себе», когда свежее молоко стояло в течение некоторого времени. Правда, кипяченое молоко «портилось» не столь быстро, это было уже известно из накопленного опыта. Из кислого молока путём отделения более плотных компонентов получали творог, из творога готовили сыр. Очень скоро люди подметили, что приготовленный сыр был значительно лучшего качества, если к молоку добавляли переваривающую субстанцию из желудков молочных телят – сычуг.
Сычуг обладает способностью свёртывать молочный белок. При свёртывании плотные компоненты молока очень быстро склеиваются в комки и становятся намного плотнее, чем при простом скисании. После отжатия сыворотки полученный таким способом творог перемешивают с солью и разрезают на куски. При получении мягких сыров, таких, как камамбер или бри, предусматривают, чтобы на поверхности «сырного теста» росли плесневые грибы. С давнего времени в сыроварнях маленьких французских селений Камамбер и Рокфор культивируются и используются особые плесневые грибы, благодаря которым там получают сорта сыров, названия которых связаны с местом их изготовления.
Правда, рокфор относится к твёрдым сырам. Эти сыры уплотняются с помощью так называемых сырных прессов; твёрдые сорта более лёжкие, чем мягкие. При изготовлении твёрдых сыров плесневые грибы добавляют прямо в сырное тесто, и тогда плесень растёт не только на поверхности, но и в объёме головки сыра. Для «вентилирования» в сырной массе прокалывают острой палочкой тонкие каналы.
Плесневые грибы можно увидеть невооружённым глазом; в отличие от дрожжей они являются многоклеточными организмами. Разумеется, у них, как и у съедобных грибов, видны только спороносцы. Само «тело» гриба невидимо. Оно состоит из длинных тонких грибных нитей, образующих мицелий (от греч. mykee – гриб). Из мицелия вырастают спороносцы, которые образуют тысячи спор, распространяющихся с порывами ветра или с потоками дождевой воды. Споры прорастают на любой богатой питательными веществами подстилке и образуют новый мицелий. По типу спор, сидящих на спороносцах, «сырные грибы» относят к кистевикам; их латинское наименование – Penicillium, что означает кисточка. Безусловно, каждый из нас знаком также с леечной плесенью (Aspergillus)[5]5
В литературе на русском языке для этих грибов принято использовать наименования в русской транскрипции, то есть пеницилл и аспергилл.– Прим. перев.
[Закрыть], ведь некоторые виды этого гриба растут на хлебе и мармеладе. В отличие от безвредных для здоровья кистевидных плесеней, произрастающих на сырах, различные виды аспергиллов выделяют ядовитые вещества. Именно поэтому никогда не следует употреблять в пищу заплесневелые продовольственные продукты!
Дрожжи и плесневые грибы, имеющие важное значение для биотехнологии (схема выполнена с 3000‑кратным увеличением). Пивные или пекарские дрожжи (Saccharomyces) используются в пивоварении, виноделии и хлебопечении, дрожжи рода Candida – в производстве кормового белка. Кистевидные плесени (пенициллы) играют важную роль в сыроварении и фармацевтической промышленности, леечные плесени (аспергиллы) вырабатывают, например, ферменты, расщепляющие крахмал.
Ещё одно древнейшее биотехнологическое «производство» – это квашение капусты с целью сделать её пригодной для длительного хранения. При желании довольно легко самому в домашних условиях изготовить кислую (квашеную) капусту. Для этого мелко нарубленную белокочанную капусту с добавленной солью (иногда также с пряностями) до тех пор уминают в глиняном сосуде, пока поверхность плотно утрамбованного слоя капусты не покроется жидкостью. После этого на капусту кладут плоскую тарелку (или деревянный кружок), которую придавливают чисто вымытым булыжником. Сосуд ставят в прохладное место. Очень скоро в капусте начинается брожение. Без доступа воздуха свежая капуста постепенно превращается в очень вкусную квашеную капусту.
Точно так же в сельском хозяйстве заквашивают зелёный корм на зиму, при этом образуется лёжкоспособный силос длительного пользования.
Все описанные выше «биотехнологии» связаны с процессами брожения; эти способы применялись и применяются человеком на протяжении тысячелетий. Накопленный опыт передавался из поколения в поколение, хотя человеку было ещё совершенно ничего неизвестно о причинах брожения и о том, как оно осуществляется. И только в ⅩⅨ в. французский учёный Луи Пастер (1822—1895) разогнал мрак неизвестности. Тем самым он заложил основы сознательного управления технологическими процессами, в которых микроорганизмы являются «рабочими животными». Луи Пастер по справедливости считается одним из отцов современной биотехнологии.
