Текст книги "От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии"
Автор книги: Илька Реннеберг
Соавторы: Рейнхард Реннеберг
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 9 страниц)
Фузия клеток – новые микробы из ранее существовавших
Итак, мы познакомились с двумя путями получения новых штаммов микроорганизмов. Первый «пенициллиновый»: отбор и культивирование позволило создать высокопродуктивный штамм, вырабатывающий в 10 000 раз больше пенициллина, чем природный (дикий) штамм. Второй путь – генная инженерия: в микробные клетки направленно «встраивают» совершенно особые инструкции для выработки определённых продуктов. В таких случаях эти микроорганизмы образуют в сущности совершенно чуждые им вещества, такие, как инсулин человека или интерферон.
Совсем новым путём является фузия клеток. Фузия означает слияние. Собственно говоря, мы все произошли путём слияния: ведь при оплодотворении происходит слияние мужских и женских половых клеток. При этом происходит комбинация наследственных задатков (генов) матери и отца. Для этих комбинаций существуют бесчисленные возможности; и пусть даже родные братья и сёстры порой имеют значительные отличия, однако они всегда наследуют свои свойства как от отца, так и от матери.
Известно, что микробы размножаются простым делением. Следовательно, не существует ни «микробов-самцов», ни «микробов-самок». Самое большее, что могут микробы,– это обменяться между собой плазмидами. Рассмотрим ситуацию, когда один бактериальный штамм хорошо растёт «на сахаре», но плохо продуцирует желаемое вещество, а другой, напротив, в этих условиях очень медленно растёт, зато может вырабатывать огромные количества нужного продукта. Разумеется, весьма заманчиво было сконструировать из них один-единственный штамм, который совмещал бы и то и другое: то есть хорошо рос и много продуцировал. И здесь приходит на помощь фузия клеток. Специальными ферментами осторожно, чтобы не полопались клетки, растворяют наружную клеточную стенку микробов обоих штаммов; теперь только тонкая внутренняя клеточная мембрана не даёт растечься «голым» клеткам. Клетки обоих штаммов смешивают. Путём подходящей химической обработки или под действием коротких электрических импульсов (электрофузия) те клетки, которые случайно соприкасаются друг с другом, склеиваются в точках касания, их тонкие оболочки спаиваются (сливаются) воедино. И вот из двух клеток появляется одна с общей тонкой оболочкой. Это гибридная клетка (гибридома). «Гибриды» постепенно образуют новую общую прочную клеточную оболочку. Эти новые клетки сочетают в себе свойства обеих «родительских половин». Теперь можно отобрать гибридные клетки с наилучшими признаками (хороший рост, хорошая продуктивность) и приступить к их размножению.
Метод слияния клеток открывает возможность соединить воедино даже совершенно различные микроорганизмы. Принципиально возможно даже слияние клеток растений, животных и человека. Мы уже познакомились с наиболее важным применением этого метода: клетки человека, способные продуцировать антитела, но почти не размножающиеся на искусственных питательных средах вне организма, сливают с интенсивно растущими раковыми клетками. Возникают хорошо растущие клетки, продуцирующие антитела. Интересен, например, результат слияния клеток картофеля и томата. Из слившихся клеток удалось даже снова вырастить растения. В итоге слияния получен «томофель» – растение, дающее на корнях картофельные клубни, а в надземной части несущее плоды томата. Томофель – это пример фантастических возможностей сотворения новой живой природы, которые есть у учёных уже сегодня.
Но не создаёт ли новая технология новые опасности для человечества, например, в виде новых микроорганизмов?
В лабораториях специалистов по генной инженерии даже при работе с «безвредными» микроорганизмами соблюдаются строгие правила техники безопасности во избежание «случайного» возникновения опасных микробов. Кроме того, «лабораторные» штаммы (например, штамм К 12 кишечной палочки) так чувствительны, что при нормальных условиях, например в организме человека, они просто не могут выжить. Прежде чем внедрять новые микробы для «работы» в сельском хозяйстве и промышленности, необходимо обязательно подвергать их самым суровым испытаниям. Результаты научных исследований Должны дать полную гарантию безопасности предлагаемых наукой микроорганизмов для существования других живых существ, а также состояния окружающей среды.
Поскольку биотехнологи довольно скоро осознали свою ответственность, они потребовали в 1974 г. временно запретить эксперименты по генной инженерии, которые могли бы привести к созданию новых опасных микробов. В дальнейшем, опираясь на проведённые исследования, удалось вновь снять многие из этих запретов. Тем не менее для большей надёжности применения генно-инженерных методов кишечные бактерии всё чаще заменяются другими бактериями, дрожжами и грибами, не встречающимися у человека или в сельском хозяйстве. Сама природа – а вовсе не генная инженерия – и теперь всё ещё продуцирует опаснейших новых мутантов; пример тому – появление постоянно изменяющихся вирусов гриппа.
Однако в связи с появлением новых методов встаёт ещё вопрос. Не могут ли микробы, подвергшиеся генно-инженерным преобразованиям, быть использованы для военных целей?
С 1975 г. существует международное соглашение, которое строго запрещает внедрение и разработку «биологического оружия». Это поднимает роль учёных-биологов на небывалую высоту. Ведь именно они в первую очередь несут ответственность за контроль над соблюдением этого международного соглашения, так как только их руками генная инженерия может быть использована не в правомерном направлении.
По-видимому, найдётся читатель, который спросит: «Не лучше ли всё же вообще отказаться от подобных исследований для того, чтобы их не смогли использовать во вред человечеству?» Но тогда запрет распространялся бы и на разработку новых вакцин для профилактических прививок, новых антибиотиков; человек был бы отдан на произвол возбудителей болезней! Точно так же безрассудно было бы отказаться от бурно развивающейся биотехнологии. Она предоставляет небывалые возможности для защиты нашего здоровья, она указывает реальные выходы из экологических проблем, может содействовать ликвидации голода на Земле и помочь решить сырьевые и энергетические затруднения общества. Вопрос по-прежнему в том, на кого работают биотехнологи и кто пользуется результатами их исследований.
Биотехнология помогает в борьбе с голодом и дефицитом энергии и сырья
Микробы съедобны?!
Сегодня на нашей Земле полмиллиарда человек не имеют в достатке пищи. В первую очередь ощущается нехватка продуктов – поставщиков белков, таких, как мясо, рыба, яйца, молоко и бобовые (фасоль, горох, соя). Проблема усугубляется тем, что население Земли возрастает примерно на 70 млн человек ежегодно; для того чтобы покрыть только дополнительную потребность в 2 млн т белка, обусловленную приростом населения, следовало бы выращивать богатую белком сою на площади 40 млн га. Как раз в регионах, где налицо нехватка белковых пищевых продуктов, отмечаются и наиболее высокие темпы прироста населения при слабом развитии сельского хозяйства и промышленности. Для того чтобы производить достаточные количества растительного белка, из которого сельскохозяйственные животные создают полноценный животный белок, сельскому хозяйству требуются большие количества азотных удобрений, выпускаемых промышленностью. Для получения 1 кг животного белка требуется 5—10 кг растительного белка. Таким образом, уже на этом этапе как бы «пропадает» («теряется») часть белка и это дополнительно к тем колоссальным потерям продуктов, которые имеют своими причинами «работу» вредителей сельского хозяйства, неаккуратность при уборке, транспортировке и хранении.
Микроорганизмы могли бы эффективно помочь решению продовольственных проблем человечества. Они ведь не только продуцируют лечебные средства, вино и сыр – они ещё и съедобны! В них содержатся полноценные белки, жиры, сахара и витамины.
Уже в 1521 г., после завоевания Мексики, испанец Бернал Диаз дель Кастильо сообщал, что ацтеки употребляли в пищу диковинные маленькие «пирожки», похожие на сыр. Сегодня нам известно, что эти «пирожки» были приготовлены из одноклеточных водорослей, живущих в мексиканских озерах. Удалённые на тысячи километров от Мексики, проживающие в Африке на берегах озера Чад туземцы племени канембу с незапамятных времен тоже потребляли в пищу одноклеточную синезелёную водоросль рода Spirulina. Эта водоросль в огромных количествах растет в оз. Чад, её вылавливают, высушивают и едят как овощи. В самом деле, водоросли – хорошие продуценты белка. Они удваивают свою массу всего лишь за шесть часов. Злакам для этого требуются две, цыплятам – четыре, поросятам – шесть недель, а телятам – два месяца. Поэтому во многих странах наука прилагает немалые усилия, чтобы создать «водорослевые фермы». Для этого требуются довольно обширные водные плоскости, то есть бассейны с большой площадью водной поверхности, в которых водоросли могут в достаточной степени облучаться солнечным светом, с помощью которого они образуют из углекислого газа, воды и питательных минеральных веществ сначала сахар, а потом белок. Потребление света и воздуха не требует никаких финансовых затрат; для побуждения водорослей к обильному росту необходимы лишь дешёвые минеральные добавки. На равновеликих площадях водоросль Spirulina образует в 10 раз больше белковой массы, чем пшеница, и к тому же с более высоким содержанием белка. При сборе урожая водоросли попросту «отцеживают» с помощью сетки, затем их сушат на воздухе и добавляют к ним вещества, улучшающие вкус; после этого продукт готов к потреблению и поступает в продажу. Почему же в районах, где население голодает, до сих пор не созданы подобные крупномасштабные фермы? Да только потому, что там отсутствует даже такая простейшая технология; к тому же во многих регионах крайне скудны запасы воды, которая очень дорога.
Виды водорослей, имеющие важное значение для биотехнологии: хлорелла – зелёная водоросль, которую для пищевых целей культивируют на специальных фермах. Синезелёную водоросль спирулину, также съедобную, нередко относят к бактериям (цианобактерии). Синезелёная водоросль анабена связывает азот воздуха и поставляет его водному папоротнику Azolla, растущему на восточно-азиатских рисовых полях (благодаря чему экономятся искусственные азотные удобрения).
«Жаркое по-домашнему» из микробов
Ещё быстрее, чем водоросли, растут бактерии, дрожжи и другие низшие грибы. Бактерии удваивают свою массу за время от 20 мин до двух часов, причём бактериальная масса может на 70 % состоять из белка.
Уже говорилось о том, что водоросли синтезируют белок в 100 000 раз быстрее, чем корова. При этом корова отдаёт нам в форме мяса примерно десятую часть питательных веществ, потребляемых ею в виде растительного корма; 0,9 корма коровы для питания людей пропадает! У бактерий, дрожжей и грибов почти вся масса питательных веществ преобразуется в белки, сахара и жиры, пригодные для использования человеком и животными.
Современная история микробиологического производства белка началась во время первой мировой войны в Германии, где с этой целью использовались дрожжи. Из-за нехватки продуктов питания пекарские дрожжи выращивали в промышленных масштабах и «начиняли» ими преимущественно колбасу и супы. Дрожжи имели то большое преимущество, что они питаются дешёвыми, обычно не используемыми сахаросодержащими растворами, преобразуя при этом сахар в высокоценный белок. Во время второй мировой войны с помощью дрожжевых «хлопьев» удалось спасти от голодной смерти тысячи людей. Но трудные времена прошли, а эта вынужденная мера была предана забвению.
Лишь в шестидесятых годах снова начали сооружать установки по производству белка с помощью микробов. Человечество нуждалось во всё больших количествах белка. Со временем было обнаружено, что микроорганизмы способны питаться не только сахаросодержащими питательными растворами, но и усваивать компоненты нефти – алканы[17]17
Алканы – это насыщенные углеводороды с общей формулой CnH2n+2 – Прим. перев.
[Закрыть]. Несъедобные для человека и животных твёрдые алканы – парафины – только микробы в состоянии утилизировать и преобразовать в ценный белок. В Советском Союзе осуществляется программа по изысканию наилучших «пожирателей» алканов. Уже в 1963 г. начали работать первые опытные установки. На предварительно очищенных пробах нефти росли штаммы дрожжей рода Candida, которые питались алканами и при этом очень быстро размножались и образовывали белок. Из 1 т нефти получалось около 1 т дрожжей, содержащих 600 кг белка. Мало того! Из уже не содержащей алканов остаточной нефти получалось гораздо более высококачественное дизельное топливо!
В самом начале производства дрожжей из алканов многие врачи и ветеринары выражали опасения, не окажется ли получаемый из алканов белок токсичным для высших млекопитающих. Однако многолетние в высшей степени добросовестные эксперименты показали, что дрожжевой белок безвреден. Кстати, благодаря многолетним исследованиям он теперь относится к наиболее изученным пищевым и кормовым средствам[18]18
Дискуссия между учёными и производственниками о возможности широкого использования микробиологического белка (витаминного белкового концентрата или сокращенно ВБК) в качестве кормовой добавки в животноводстве, птицеводстве, рыбном хозяйстве приняла в настоящее время прямо-таки драматическую окраску. Тяжёлое экологическое состояние некоторых регионов страны жители, поддержанные некоторыми учёными, связывают с расположенными в этих местностях заводами по производству ВБК. Вопрос о производстве и применении ВБК постоянно встаёт перед народными депутатами СССР и других уровней. Для знакомства с этой проблемой можно рекомендовать следующие публикации в периодической печати: Объявлен «крестовый поход» против биотехнологии. Кому он выгоден? – Правительственный вестник: Еженедельная газета. № 11 (37), март 1990 г.; Горизонты биотехнологии.– Сельская жизнь, 25 февраля 1990 г.– Прим. перев.
[Закрыть].
Дрожжевой белок превосходит все кормовые растения по содержанию в нём питательных веществ. Опыты показали, что 1 т дрожжей способна заменить 7—8 т кормовых злаков. Первое большое предприятие по производству дрожжей на основе алканов начало функционировать в Советском Союзе в 1973 г. с производительностью 70 000 т в год. Сегодня в СССР действует восемь гигантских заводов по производству «алкановых» дрожжей. Такие же предприятия, где ценный белок производится из алканов нефти, функционируют в ГДР в г. Шведте (конечный пункт нефтепровода «Дружба»), а также в Румынии. В Китайской Народной Республике (нефтяные месторождения этой страны характеризуются высоким содержанием алканов) в настоящее время также сооружаются подобные «фабрики белка». Даже арабские страны – экспортеры нефти сейчас проявляют большую заинтересованность в этой биотехнологии, поскольку производить кормовой белок из собственной нефти при её колоссальных запасах экономически выгодно; ведь тогда не надо окультуривать земельные массивы в пустынях, которые занимают основную территорию этих стран. При налаженном биотехнологическом производстве отпала бы и потребность в дорогом импорте зерна, бобов, сои или рыбной муки.
Завод по производству высококачественного кормового белка из компонентов нефти (алканов) в г. Шведте (ГДР). В двух гигантских биореакторах при участии дрожжей рода Candida ежегодно производится 50 000 т белкового концентрата фермозина. Попавшая в центр фотографии заводская труба относится к сушильной установке, поскольку продукция завода – кормовой белок – поставляется в сельское хозяйство в сухом гранулированном виде в форме небольших цилиндриков.
Бактерии вида Methylophilus methylofrophus образуют из метанола, который получают дешёвым способом из угля или нефти, белковый корм (прутин).
В середине семидесятых годов в результате внезапного довольно сильного повышения цен на нефть страны, не имеющие собственной нефтедобычи, были вынуждены изыскивать другой, более дешёвый источник питательных веществ для белокпродуцирующих микробов. В качестве такового был предложен метиловый спирт (метанол). Его можно получать в очень чистом виде из каменного угля или нефти. В Англии на одной из установок для получения микробного белка из метанола «работает» Bacterium Methylophilus methylotrophus (при дословном переводе на русский язык это латинское наименование бактерии звучит так: «Бактерия, любящая метан и поедающая метан»); ежегодная «производительность» этой бактерии 50 000 т белкового корма прутин, используемого в основном при выращивании цыплят-бройлеров и откорме телят. Биореактор имеет 60 м в высоту, его вместимость 150 000 л абсолютно стерильного питательного раствора, в котором бактерии живут при 35 °С, потребляя исключительно метанол, аммиак и кислород воздуха. Бактерии непрерывно удаляются из биореактора; затем они обрабатываются горячим водяным паром (жизнедеятельность бактерий прекращается) и полученная в виде довольно крупных комков биомасса высушивается. В итоге получают зернистый продукт, имеющий цвет жжённого сахара; фирменное название этого продукта прутин.
Начиная с 1985 г. микробный белок используется также в пищевой промышленности для изготовления различных блюд и полуфабрикатов. В Англии специализированные магазины продают слоёные паштеты с начинкой, похожей по виду и вкусу на говяжью. В этом блюде даже можно ощутить «мясные волокна»! Новый биопродукт микопротеин (от греч. mykee – гриб, protein – белок) изготовляется из гриба фузариум. Он содержит 45 % белка и 13 % растительного жира, то есть не уступает по питательности многим сортам мяса. Грибные нити (мицелий) так «сплетаются» между собой, что появляется внешняя аналогия с мясными волокнами. А как известно, волокнистая пища чрезвычайно важна для хорошего пищеварения. Фузариум растёт на всех сахаристых веществах, например в Европе для этого используют отходы картофеля, а в Америке – корни кассавы[19]19
Кассава (маниок) – растение семейства молочайных. Возделывается на американском континенте в районах с тропическим климатом. Из корней кассавы получают муку.– Прим. перев.
[Закрыть], фрукты или сахарный тростник. Наряду с «говядиной» из фузариума изготавливается также «куриное мясо». В скором будущем в магазинах можно будет купить не менее 10 видов пирожков, рубленые котлеты, лакомства и салаты, приготовленные с добавлением микробного белка.
Белок, полученный из гриба рода Fusarium, подвергается дальнейшей переработке путём добавления вкусовых и красящих веществ. На фотографии приведенных образцов можно различить волокна, напоминающие мясные.
Из правого куска получают «говяжье», из левого – «куриное» мясо.
Грибной белок становится неузнаваемым после переработки в рубленые котлеты, паштеты, шоколад и салаты.
Дегустация «жаркого» микробного происхождения прошла вполне успешно. Это блюдо не только «как настоящее» на вкус, но к тому же богато белком и содержит мало жиров, то есть оно полезнее для здоровья по сравнению с натуральным (животным) продуктом.
В Финляндии при помощи низших грибов, растущих на ядовитых сточных водах целлюлозно-бумажных предприятий, ежегодно производят 10 000 т ценного кормового белка. Без проведения «микробной обработки» эти сточные воды вызывают массовую гибель рыб в озерах и реках. В этом случае биотехнология разрешает одновременно две проблемы – получение белка на беззатратных питательных растворах и защиту окружающей среды.
Советский Союз занимает первое место в мире по промышленному микробиологическому производству белка: более 1 млн т кормовых дрожжей ежегодно. Наряду с использованием алканов нефти и спирта источником питательных веществ служит также древесина. Но при этом не расщепляемая дрожжами целлюлоза древесины должна быть сначала разрушена с помощью кислот на строительные «блоки» – сахара. Такие отходы сельского хозяйства, как солома, хлопковые остатки, отходы картофеля, овощей и фруктов, содержащие не более 5 % белка, также могут быть превращены микробами в ценный корм.
Растения, которые сами себя удобряют
Азот наряду с углеродом, водородом и кислородом представляет собой важнейший маленький «кирпичик», входящий в состав соединений, встречающихся во всех живых существах, белках и наследственном материале. Воздух содержит 78 % (об.) азота, однако ни человек, ни животные не могут усваивать газообразный азот. То же самое относится и к большей части растений, которые способны усваивать только химически связанный азот в форме аммиачных солей, нитратов или мочевины.
Уже древние римляне знали, что при выращивании бобовых, например клевера, люпина, люцерны, фасоли и гороха, повышается плодородие почвы. Когда на каком-нибудь поле впервые начинали культивировать бобовые, то по нему предварительно рассеивали землю с полей, на которых уже росли растения этого семейства. Разумеется, римляне ещё не могли знать, что они обязаны своими сельскохозяйственными успехами азотфиксирующим клубеньковым бактериям, которые обитают на сплетениях корешков определённых видов бобовых. В тесном взаимодействии (симбиозе) с растением эти микробы образуют из азота воздуха аммиак – одно из питательных веществ, усваиваемых растением. Таким образом, бактерии поставляют в почву азотные удобрения; взамен они получают от растения другие питательные вещества.
Аммиак производится также в промышленности по так называемому способу Габер – Боша: атмосферный азот при 550 °С и давлении в несколько сотен атмосфер связывается с водородом с образованием аммиака, который потом в качестве «азотного удобрения» (солей аммония) вносится в почву. Химический способ получения аммиака требует колоссальных затрат энергии, а энергия всё больше дорожает, поэтому заметно выросли и цены на удобрения. В результате азотные удобрения становятся мало доступными для сельского хозяйства именно тех стран, где повышение урожайности – первоочередная задача для того, чтобы накормить полуголодное население.
К этому следует добавить, что, вообще говоря, растения усваивают лишь менее половины того количества удобрений, которое вносится человеком в почву. Большая часть удобрений вымывается из почвы дождевой водой и «перенасыщает» затем озёра и реки. Вследствие этого в водоёмах непомерно размножаются микроорганизмы, они полностью потребляют кислород, растворённый в воде, после чего огромные количества этих микроорганизмов отмирают. Вместе с бактериями гибнут рыба, раки и все остальные живые существа, нуждающиеся в кислороде.
Напротив, клубеньковые растения образуют аммиак при нормальных температуре и давлении. Например, красный клевер на 1 га посева продуцирует при помощи своих же бактерий 100—150 кг азотных «удобрений». В общей сложности благодаря микробам из воздуха ежегодно извлекается примерно 100 млн т аммиака против 40 млн т, получаемых промышленным способом при «адских» температурах и высоком давлении. Причём клубеньковые бактерии вновь демонстрируют преимущество биологических процессов: они являются энергосберегающими. Образование микробами «азотных удобрений» из воздуха имеет ещё одно преимущество: они не вымываются дождями – стало быть, полностью сохраняются для растений и не загрязняют водоёмы.
Во многих странах предпринимаются экспериментальные попытки заселить клубеньковыми бактериями также другие культурные растения, не относящиеся к семейству бобовых. Специалисты по генной инженерии пытаются даже перенести гены азотфиксирующих бактерий в клетки злаков.
