Текст книги "От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии"

Автор книги: Илька Реннеберг

Соавторы: Рейнхард  Реннеберг
сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 9 страниц)

«Меню» микроорганизмов

Кистевидные плесени, подобно многим микробам, растут лучше всего на сахарных растворах. Те микробы, которые, подобно растениям, содержат хлорофилл[13]13
  Хлорофилл – зелёный пигмент растений, участвует в превращении лучистой энергии Солнца в химическую энергию связей органических веществ.– Прим. перев.


[Закрыть], например одноклеточные водоросли, могут даже сами с помощью солнечного света производить требуемый сахар из воды и углекислого газа.

Когда во время второй мировой войны было начато культивирование плесневых грибов, то вначале применяли питательные растворы, содержащие виноградный сахар (глюкозу) и минеральные соли. Грибы потребляли сахар и быстро росли. Но почему-то они вырабатывали очень немного пенициллина. Идеальный питательный раствор, который был дёшев и в то же время оптимален для производства пенициллина был найден в пеорийской лаборатории, можно сказать, случайно. Это был жидкий кукурузный экстракт.

Лаборатория в Пеории была, собственно говоря, основана для того, чтобы найти способ утилизации этой жидкости, которая в огромных количествах образуется при производстве крахмала как побочный продукт. Кукурузный экстракт – это раствор крахмала, сахара и различных минеральных веществ. Выращиваемые на жидком кукурузном экстракте плесневые грибы стали сразу же поставлять в 25 раз больше пенициллина, чем на среде с виноградным сахаром!

Для каждого микробного вида необходимо изыскивать подходящую смесь питательных веществ подобно тому, как это было сделано для кистевидной плесени; кроме того, эта смесь должна быть недорогой. Вообще микробам можно «скармливать» любые сахаросодержащие отходы, например некоторые побочные продукты, получаемые при первичной переработке сельскохозяйственной продукции, или сточные воды целлюлозно-бумажных комбинатов. Известны микроорганизмы, утилизирующие даже твёрдые остатки от перегонки нефти и отходы пластмасс. Благодаря такой способности микроорганизмов можно использовать вещества, которые в противном случае попадают в сточные воды или другим путём отравляют окружающую среду.

И вот путём тщательной селекционной работы получены «высокопродуктивные штаммы микробов» для производства определённого вещества, например пенициллина; подобрана также оптимальная питательная среда. Однако надо ещё разработать технологическую схему крупномасштабного производства, то есть определить все условия и предложить подходящую аппаратуру.

Визит на «биофабрику»

При посещении биотехнологического предприятия совершенно напрасно высматривать чадящие дымовые трубы или ожидать, что в нос ударит какой-то «химический» запах. Вместо этого посетитель вступит в светлые, выложенные кафельными плитками помещения. В них расположены вертикальные резервуары из нержавеющей стали размером с железнодорожную цистерну; вокруг путаница трубопроводов, множество клапанов и индикаторных приборов. Снаружи под открытым небом стоят другие стальные колоссы, по своей громадности не уступающие доменным печам. Все эти стальные резервуары служат «жилищем», «яслями» и «местом работы» микробов. Это – биореакторы.

Конструкция биореактора. В биореакторе создаются оптимальные условия для жизнедеятельности и работы микробов, растительных или животных клеток. Температуру, концентрацию кислорода и кислотность среды контролируют и регулируют с помощью чувствительных элементов (датчиков). Профильтрованный стерильный воздух продувается через стерильный питательный раствор, который подвергается непрерывному перемешиванию. Все отверстия биореактора, через которые возможно проникновение чужеродных микробов, стерилизуются водяным паром. По окончании процесса весь питательный раствор с микробами и образовавшимися продуктами сливают, то есть реактор полностью опорожняют. После этого нужные продукты могут быть отделены и очищены.

Современные биореакторы появились в результате многолетней исследовательской работы. Решающим толчком для их проектирования послужила «охота» за пенициллином. Когда Флори и Чейн искали подходящую ёмкость для выращивания кистевидной плесени, то они начали с маленьких плоских стеклянных чашек, где грибы плавали на поверхности питательного раствора. Однако при такой «технологии» никогда не удалось бы получить пенициллин в количествах, достаточных для удовлетворения потребности в нём для лечебных целей. К тому же для плоских ёмкостей вообще надо довольно много места. «Вот если бы гриб мог расти не только на поверхности, но и развиваться во всем объёме питательного раствора, тогда его выращивание упростилось бы и габариты установок уменьшились»,– так приблизительно сказали себе учёные. Однако дикий штамм Penicillium notatum – «гриб Флеминга» – был способен размножаться только на поверхности. К счастью, самый лучший из новых найденных штаммов вида Penicillium chrysogenum оказался и хорошим «водолазом»! Он рос и под водой в так называемой «глубинной» культуре, при условии достаточного обеспечения кислородом, то есть когда воздух, как в аквариуме, с помощью насоса прокачивался через жидкость. Нагнетаемый воздух и специальная мешалка обеспечивали также достаточное перемешивание вязкого питательного раствора, содержащего микроорганизмы.

В биотехнологической лаборатории Академии наук ГДР (г. Иена). Лабораторный реактор «засевается» бактериями, которые могут продуцировать большие количества аминокислоты лизина. В лаборатории проверяют оптимальные условия с тем, чтобы в последующем можно было наладить производство лизина – ценной кормовой добавки – в промышленных биореакторах. Процесс в биореакторе прослеживают при помощи чувствительных элементов (датчиков), связанных с компьютером, компьютер контролирует и регулирует весь биопроцесс.

Незаполненный биореактор для крупномасштабного производства пенициллина (вид изнутри). Отчётливо видны мешалка и охлаждающая рубашка.

В настоящее время в биореакторах выращивают плесневые грибы, дрожжи, бактерии, а также водоросли. В каждом отдельном случае конструкция биореактора рассчитана именно на получение данного продукта. Например, если надо получить большие количества дрожжей, используемых как кормовая добавка, то строят гигантские биореакторы размерами с многоэтажный дом и вместимостью до 1500 м³; цилиндрические резервуары для производства дрожжей из нефти достигают примерно 40 м в высоту и 20 м в диаметре. В пенициллиновом производстве, как правило, биореакторы имеют меньшие размеры; их вместимость не превышает 100 м³. Для научно-исследовательской работы с микроорганизмами, проводимой в лаборатории, бывает достаточно мини-реакторов, вместимость которых составляет всего лишь несколько литров. И вот биотехнологический процесс в лаборатории разработан. Тут-то и необходимо взаимодействие учёных, инженеров и конструкторов; ведь биотехнологический процесс, показавший хорошие результаты в лаборатории, должен также успешно протекать в промышленных биореакторах, объём которых в тысячи раз больше.

Разумеется, для хорошего «самочувствия» микробов важное значение имеет температура питательного раствора. Для большинства микроорганизмов «комфортная» температура определяется интервалом 20—50 °C; таким образом, их наиболее высокая продуктивность попадает в диапазон от нормальной до «тропических» температур. Потому-то на биопредприятиях нет дымовых труб! В химической промышленности, напротив, при производстве различных веществ требуются поистине «адские» температуры в сотни градусов Цельсия. Для достижения таких температур приходится сжигать гигантские количества топлива (угля, нефти и природного газа). Это дорого, и, кроме того, топливные запасы во всём мире постепенно истощаются, убывают.

Чаще всего для биотехнологических процессов требуется даже охлаждение. Дело в том, что плесневые грибы и другие микроорганизмы при потреблении питательных веществ продуцируют тепло, избыток которого выделяется. Поэтому во избежание смертельного для микромира перегрева стенки биореакторов нужно охлаждать водой.

Для ускорения превращения веществ в химических производствах нередко требуются высокие давления, но для этого тоже необходим расход энергии! Микробам же для их деятельности достаточно нормального давления.

Стоп! Не очень безобразничайте, нарушители спокойствия!

В течение всего срока работы биореактора много хлопот с невидимыми нарушителями запланированного хода микробиологического процесса. Что пользы от наилучшего штамма-продуцента пенициллина, если другие, нежелательные микроорганизмы поглотят в биореакторе питательные вещества, подавят рост «наших» грибов или даже выделят в питательный раствор ядовитые вещества? Во избежание этого питательная среда, а также нагнетаемый воздух должны быть подвергнуты кратковременному прогреванию, чтобы освободиться от микроорганизмов (этот процесс называется стерилизацией, от лат. sterilis – бесплодный). Для стерилизации биореакторов используется водяной пар, который пропускают через биореакторы непосредственно перед засевом в них микроорганизмов.

Высокие температуры с этой целью используются и в домашнем хозяйстве, и в пищевой промышленности. Чтобы убить «зародышей», то есть вредных микробов, в молоке, мы полагаем достаточным простого кипячения или пастеризации. И при обработке фруктов или при изготовлении консервов бактерий и большую часть грибных спор тоже убивают с помощью нагревания. Поскольку при этом все сосуды герметически закрываются (закупориваются), туда не могут проникнуть ни новые микробы, ни кислород, необходимый для развития большинства микроорганизмов. Вот если в консервы проникнет воздух, они будут испорчены. Например, в стеклянных банках с компотами, которые были недостаточно плотно закрыты, можно увидеть плесень.

Впрочем, консервы «изобрёл» без всякого знания о существовании микробов ещё за 50 лет до открытий Пастера французский повар Никола Аппер (1752—1841). В 1795 г. Наполеон назначил награду за изобретение способа длительного предохранения от порчи продуктов питания, необходимых для снабжения его армии во время походов. Над этой проблемой Аппер проработал 14 лет. Он нагревал пищевые продукты и герметически закупоривал сосуды пробками. После этого его консервы могли храниться месяцами. За свое изобретение Аппер в 1809 г. получил награду в 12 000 франков; он опубликовал описание своей методики и стал основоположником современной консервной промышленности.

Однако, для того чтобы замедлить нежелательное размножение микроорганизмов, можно наряду с сильным нагреванием использовать также охлаждение. Поскольку для развития большинства микробов требуется тепло, то пищевые продукты сохраняют в холодильниках или замораживают в низкотемпературных морозильниках. При этом имеет место лишь временное подавление развития микробов, но не их гибель. Многие микроорганизмы без всякого вреда для себя выдерживают даже температуры жидкого водорода, то есть вплоть до −250 °С. Размороженные пищевые продукты должны быть немедленно употреблены в пищу, иначе они послужат идеальной питательной средой для «пробуждённых из ледяного оцепенения» микробов.

Микробам для жизнедеятельности постоянно требуется вода, поэтому путём высушивания можно воспрепятствовать их развитию (например, это реализуется при заготовке чернослива и сушёной рыбы). При закладке в рассол (например, при солении сельди) или в крепкие сахарные растворы (сиропы) у микробных клеток также отнимается вода, они «сморщиваются», высыхают и прекращают развитие. Наконец, человек нашёл вещества, подавляющие развитие микроорганизмов и вошедшие в состав дезинфицирующих средств.

Когда же, несмотря на все заботы о стерильности и чистоте, в биореакторе «берут верх» нежелательные поселенцы, то волей-неволей приходится реактор полностью опорожнять, а затем подвергать очистке и стерилизации все его части. Процесс производства пенициллина длится не менее двух недель, и если его приходится прерывать до получения результатов, то это означает значительный финансовый ущерб. Вот почему стерильность – это основное и важнейшее требование биотехнологического процесса!

Ну, а если процесс завершился успешно? Тогда можно «собрать урожай». Например, в биореакторе получают пенициллин. Вязкую массу, содержащую плесневые грибы, остатки питательных веществ и пенициллин, выливают из реактора. Пенициллин выделяется грибами в питательный раствор, поэтому его получение очень просто: микробные клетки отфильтровывают, после этого растворённый пенициллин образует в прозрачном питательном растворе твёрдые кристаллы, которые оседают на дно резервуара и легко отделяются. Однако существуют и такие продукты, которые не выделяются микробами в питательный раствор. Тогда приходится разрушать микробные клетки и с большим трудом отделять нужные продукты от остального клеточного содержимого. Разумеется, в связи с этим получение таких веществ значительно удорожается.

«Состязание» с микробами

Из рассказа о пенициллине становится довольно понятным, какую работу должны проделать специалисты-биотехнологи, чтобы осуществилась вся «цепочка» от научного открытия до биотехнологического продукта. Получение пенициллина стало очень важным этапом в становлении современной биопромышленности. В 1945 г. главные участники создания пенициллина Флеминг, Флори и Чейн получили за свою работу Нобелевскую премию.

В 1945 г., производство пенициллина достигло уже полтонны. Тем не менее оставалось неясным, почему, собственно, пенициллин оказывает смертоносное воздействие на определённых микробов. В настоящее время полагают, что пенициллин «по ошибке» поглощается вместе с питательными веществами растущими бактериями. После каждого деления бактериальные клетки должны строить новые клеточные стенки. Однако пенициллин мешает «построению стенок». В результате нарушающего действия пенициллина в клеточных стенках образуются «негерметичные участки», что является катастрофой для бактерий: дефектные стенки не в состоянии выдержать внутреннее давление клеток, они лопаются. Таким образом, пенициллин подавляет только стадию размножения, но не убивает взрослых бактерий! Именно поэтому в случае заболевания недостаточно применять пенициллин только один раз. Пенициллин поражает бактерию лишь в тот момент, когда она делится. Поэтому для надёжности необходимо давать пенициллин в течение нескольких дней. Очень опасно, вопреки предписанию врача, самовольно прерывать лечение пенициллином, как только самочувствие несколько улучшится! В этом случае выжившие бактерии быстренько «поправляются», размножаются и пациент заболевает повторно[14]14
  Наблюдается так называемый рецидив болезни после ремиссии (улучшения состояния), которая может протекать теперь уже в более тяжёлой форме, так как организм больного ослаблен и по другим причинам, о которых говорится далее.– Прим. перев.


[Закрыть].

Но и бактерии «обороняются» от пенициллина. Они вырабатывают в своих клетках особые ферменты, которые инактивируют проникающий в них пенициллин. Эти ферменты названы своим первооткрывателем Эрнестом Борисом Чейном пенициллиназами. Содержащие эти ферменты бактерии невосприимчивы (резистентны) к действию пенициллина. Для подавления бактерий, способных образовывать пенициллиназы, требуется применять более высокие дозы пенициллина. Тогда пенициллиназы «не справляются» с достаточно быстрым «раскалыванием» смертоносного пенициллина. Но это всего лишь вопрос времени, пока новые бактериальные штаммы не приспособятся к повышенным количествам пенициллина и не начнут вырабатывать ещё более активные пенициллиназы для своей защиты.

И всё-таки микробов удалось «перехитрить». Пенициллин, выработанный плесневыми грибами, незначительно видоизменяют при помощи специальных ферментов, так что хотя он по-прежнему подавляет бактерии, однако уже не «распознается» их пенициллиназами и поэтому не разрушается ими. Таким образом, идёт постоянное «состязание» с микробами, причём для эффективной борьбы человек должен быть всегда «на корпус» впереди. Одновременно происходит интенсивный поиск новых средств против возбудителей болезней.

Когда пенициллин начал своё победное шествие, то поначалу думали, что найдено средство против всех бактерий на свете. Но вскоре выяснилось, что некоторые бактерии имеют клеточные стенки, построенные совсем иначе. Для них пенициллин ничего не значит! К сожалению, к таким бактериям относится и возбудитель туберкулёза – микобактерия. Однако уже в 1941 г. и эта «брешь» была закрыта американским микробиологом Зельманом Ваксманом (1883—1973). Он выделил из почвы микроорганизмы стрептомицеты. Кстати, именно они обусловливают запах, который исходит от земли. Эти стрептомицеты продуцируют биологически активное вещество, которое Ваксман назвал стрептомицином. Кроме того, он же предложил называть антибиотиками все вещества, образуемые микроорганизмами и способные подавить, повредить или убить других микробов (antibioticum – против жизни). Стрептомицин является антибиотиком, чрезвычайно активным против возбудителя туберкулёза. За свою работу Ваксман получил в 1952 г. Нобелевскую премию.

Со времени открытия Флеминга было выявлено около 5000 различных антибиотиков, но в медицине применяется лишь 100 из них. Итак, на дешёвых питательных смесях «трудятся» микроорганизмы, в результате образуются антибиотики; мировое производство этих веществ оценивается стоимостью 4 миллиарда долларов. Таковы первые многообещающие «результаты приручения» микробов человеком.

Удивительное превращение одной коровы в десять слонов (?)

Согласно одной древней индийской легенде, могущественный брахманский властитель Шерам обещал своему визирю Зессе ибн Дахеру, изобретателю игры в шахматы, исполнить любое его желание. Мудрец попросил пшеницы, притом столько, сколько получится, если на первую из 64 клеток шахматной доски положить одно пшеничное зерно, на вторую – два, на третью – четыре, на четвёртую – восемь, т. е. на каждую последующую клетку надо было положить удвоенное число зёрен. Царь был в высшей степени удивлён этой, казавшейся ему смехотворной, просьбой и приказал принести мешок пшеницы. Однако его лицо всё больше вытягивалось по мере того, как содержимое мешка постепенно исчезало, а незаполненных клеток на доске оставалось ещё очень много. Наконец расчёт показал, что для заполнения одной только 64‑й клетки потребовалось бы 18,5 триллионов зерен! Таким количеством можно было бы засыпать всю Землю слоем в 1 см! Для этого не хватило бы даже всего нынешнего урожая зерновых.

Такие же несметные количества получаются, если посчитать, сколько микробов может произойти из одной-единственной клетки. Бактерии – это рекордсмены клеточного деления: в зависимости от условий и бактериального вида требуется от считанных минут до нескольких часов на то, чтобы клетка бактерии произвела перетяжку посредине и разделилась. Если принять во внимание, что одна бактериальная клетка делится каждые 20 мин (в среднем), то, стало быть, через 20 мин образуются две «дочерних» бактерии, спустя 40 мин – четыре «внучки», через 60 мин – восемь «правнучек», через 80 мин – 16 «праправнучек» и т. д. Число бактерий увеличивается лавинообразно. Спустя всего лишь 10 ч 40 мин из одной бактериальной клетки возникло бы свыше 4 миллиардов потомков, т. е. столько, сколько людей живёт в данное время на Земле. Через 44 ч, то есть через неполных двое суток беспрепятственного размножения одна бактерия, несмотря на её массу, составляющую всего лишь 0,000 000 000 001 г, сумела бы образовать такое потомство, масса которого соответствовала массе нашей планеты (около 6 000 000 000 000 000 000 000 тонн)!

К счастью, дело не доходит до того, чтобы наша Земля полностью «заросла» бактериями! Для того чтобы микробы могли быстро размножаться, им необходимо достаточное количество пищи и благоприятные условия существования, подобные тем, какие искусственно создаются в биореакторе. В природе же питательные вещества имеются в наличии лишь в ограниченном количестве, да и то не всегда. Кроме того, огромные количества микробов гибнут от воздействия ультрафиолетовых лучей и солнечного света. Недаром врачи уверяют, что для того, чтобы остаться здоровым, необходимо как можно чаще бывать на свежем воздухе под лучами солнца. Местности с высокой ультрафиолетовой радиацией (обычно берег моря, поросший соснами) характеризуются очень низким содержанием микроорганизмов в воздухе. В больницах и научно-исследовательских лабораториях помещения нередко стерилизуют путём облучения ультрафиолетовым светом.

Итак, микробы невероятно продуктивны. В то время как одна корова с живой массой в 500 кг образует за сутки около 0,5 кг белка, а 500 кг растений сои продуцируют за тот же срок 5 кг белка, равная масса дрожжей (то есть тоже 500 кг) способна выработать в биореакторе за сутки 50 т белка, что в 100 раз превышает их собственную массу и примерно равно массе 10 взрослых слонов! Вообразите, что корова в течение одних суток вырастет в гиганта, равного по массе 10 слонам! А ведь именно так растёт микробная масса, беря начало с крошечной невидимой глазом одной-единственной клетки! Таким образом, при определённых условиях микробная клетка способна за равное время продуцировать в 100 000 раз больше белка, чем животная клетка. При этом она потребляет дешёвые вещества, например крахмальные растворы или даже сточные воды. Корове же требуются хорошие и, следовательно, дорогие корма.

Сравнение способности образовывать новый белок животными (корова), растениями (соя) и микробами (дрожжи).

Каждый из этих организмов на 500 кг своей массы за 1 сут производит следующие количества новообразованного белка: корова – 0,5 кг, то есть примерно это масса хомяка; соя – 5 кг, то есть масса кошки; дрожжи – 50 000 кг, то есть масса десяти взрослых слонов. Если бы корова обладала производительностью дрожжей, то её привес за одни-единственные сутки, по всей вероятности, был равен массе десяти слонов.

Поскольку микробов отличает чрезвычайная приспособляемость, их можно быстро и легко селекционировать. Если над тем, чтобы вывести новую породу животных или новый сорт хлебного злака, нередко приходилось биться десятилетиями или даже столетиями (за 150 лет самой напряжённой селекционной работы содержание сахара в сахарной свёкле было повышено всего лишь в 3 раза), то у кистевидной плесени всего лишь за 30 лет удалось в 10 000 раз повысить продуктивность выработки пенициллина!

Однако традиционные методы селекции оставлены далеко позади такими современными методами, как генная инженерия. Сегодня методами генной инженерии микроорганизмы можно побудить даже к тому, чтобы они, согласно поставленным требованиям, продуцировали совершенно необычные для них вещества растений, животных или человека. Наследственный материал микробов можно направленно изменять посредством «манипулирования» с генами. Так в лабораториях биотехнологов создаются новые «живые существа по индивидуальному заказу».