Текст книги "От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии"
Автор книги: Илька Реннеберг
Соавторы: Рейнхард Реннеберг
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 9 страниц)
Новые растения из пробирки
Прежде чем злаки «научатся» извлекать азот непосредственно из воздуха, предстоит провести ещё немало исследований. В то же время уже сегодня новые высокоурожайные сорта растений размножают в пробирке при помощи биотехнологических методов. Сначала учёные культивируют растительные клетки (принципиально это аналогично культивированию микробов) в питательных растворах. Затем с помощью ферментов осторожно растворяют клеточные стенки. Подобная «голая» одиночная клетка способна делиться и размножаться, образуя в питательном растворе скопление клеток (каллус). После добавления определённых питательных и ростовых веществ из этого клеточного скопления спустя некоторое время вновь возникают полноценные растения! Таким путём из 1 г растительных клеток в пробирке можно вырастить тысячи растений. Подобным образом уже были размножены земляника, спаржа, ананас, люцерна и декоративные растения. Теперь на 1 м2 лабораторной площади можно за короткий срок вырастить 100 000 таких растеньиц, причём все из клеток одного «суперрастения». Получаемое потомство называют «клон» (от греч. clon – ветвь). Все они – как однояйцевые близнецы – имеют одинаковый наследственный материал. Например, путём «клонирования» удалось произвести 1000 молодых масличных пальм, которые были высажены в Юго-Восточной Малайзии. Эти пальмы – прямые потомки одной пальмы, оказавшейся необычайно устойчивой против болезней, а также дававшей на 20—30 % больше пальмового масла, чем обычно.
Клонирование растений.
На первом этапе (вверху слева) от растения, которое предполагается размножить, отрезается лист. В растворе, содержащем ферменты, разрушающие клеточные стенки, образуются тысячи одиночных «голых» клеток (протопластов), не имеющих стенок. В питательном растворе протопласты образуют новые клеточные стенки, клетки начинают делиться (внизу справа). Приблизительно через две недели из каждой отдельной клетки возникает скопление клеток (каллюс) (внизу слева). Каллюс помещают на особую питательную среду, где он развивается в полную силу и начинает образовывать побег (в центре слева). На другой питательной среде побег вырастает в маленькое растеньице с корнями, которое затем высаживают в землю (вверху слева). Так из одного-единственного листа в самое короткое время можно вырастить тысячи новых растений со свойствами материнского растения.
В культивационном сосуде крошечная роза, возникшая в результате клонирования.
Если растительные клетки удаётся, подобно микроорганизмам, культивировать в питательных растворах, то почему бы не попробовать также изменять их при помощи генно-инженерных методов? Растения, устойчивые против засухи и средств защиты растений (гербицидов), растущие даже на засолённых почвах и отличающиеся большим содержанием белка – таковы некоторые цели, намеченные специалистами по генной инженерии. К сожалению, в растительные клетки нельзя непосредственно ввести плазмиды, как это имело место у бактерий. Однако учёные и здесь отыскали «кукушку» для генов: широко распространенную почвенную бактерию Agrobacterium tumefaciens. Эта бактерия инфицирует растительные клетки и побуждает их к беспорядочному опухолеобразному росту и образованию «галлов»[20]20
Галлы – болезненные наросты на растениях.– Прим. перев.
[Закрыть]. В галлах гены бактерий с помощью бактериальных плазмид проникают в клетки растений. Затем изменённые растительные клетки галлов клонируют в пробирке, как описано выше, и вновь выращивают из них целые растения. Таким образом, культурным растениям действительно можно передать такие свойства, как повышенная продуктивность белка или связывание азота воздуха, или устойчивость против засухи и вредителей.
Из чисто научного интереса была сделана попытка включить в растения табака гены светлячка. Подвергнутые подобным манипуляциям табачные растения испускали в темноте зеленовато-желтое сияние – доказательство того, что эксперимент удался.
Микробы против вредителей
В некоторых африканских странах насекомые или грызуны уничтожают около 60 % урожая. В Европе потери урожая составляют от 25 до 40 %. Кроме того, в тропических странах насекомые представляют опасность как переносчики малярии (комары рода Anopheles) или сонной болезни (муха цеце). Малярией впервые заболевают ежегодно 300 млн человек; по своим масштабам малярия занимает первое место в мире среди других болезней на Земле.
Для борьбы с насекомыми используются различные химические препараты, называемые инсектицидами; ежегодные затраты на эти средства составляют ~2,5 млрд долл. Однако при этом погибают не только вредители, но все другие насекомые, входящие в контакт с инсектицидами. Тем самым инсектициды нарушают совместную среду обитания животных и растений, происходит постепенное отравление насекомоядных животных, особенно птиц. Инсектициды в конце концов попадают и в воду, и в нашу пищу. Кроме того, примерно на 400 видов насекомых инсектициды уже не оказывают никакого воздействия, так как эти виды стали устойчивыми к применяемым препаратам. Для того чтобы бороться с этими устойчивыми видами, необходимо увеличивать дозировку яда, либо применять новые инсектициды. Поэтому во многих странах занимаются поиском безвредных для окружающей среды биологических методов борьбы с вредителями.
В настоящее время в Советском Союзе и США уже выращивают «поточным методом» миллионы крохотных (длина не более 1 мм) наездников-трихограмм и переносят их на поля, поражённые вредителями. Каждая трихограмма-самка прокалывает до 300 яиц других насекомых и откладывает в них свои яйца. Вышедшие из яиц-паразитов гусеницы-трихограммы пожирают содержимое яйца хозяина.
Бактерии, грибы и вирусы также используются для борьбы с вредителями. Так, Bacillus thuringiensis, которая стала известна в Тюрингии как истребитель личинок моли, прекрасно зарекомендовала себя и как «убийца» гусениц. Водными взвесями этих микробов опрыскивают поля, и гусеницы поедают их вместе с кормом. Микробы образуют ядовитые кристаллы белка, которые разрушают кишечник гусениц, вызывая их гибель. В настоящее время Bacillus thuringiensis выращивают в биореакторах. Одной тонны микробного препарата достаточно, чтобы очистить от вредителей 300 га леса, свекловичных полей, посевов хлопчатника или плантаций плодовых деревьев!
Удалось также передать ген, контролирующий образование ядовитых кристаллов белка от Bacillus thuringiensis, бактериям, заселяющим корни (Pseudomonas florescens). Теперь гусеницы озимой совки, повреждающие хлебные злаки посредством погрызов корней, погибают, если только поглотят вместе с пищей бактерии Pseudomonas, трансформированные генно-инженерными методами.
Было испробовано совместное применение наездников-трихограмм и бацилл против капустниц. При этом «наездники» снижают количество яиц бабочек, бациллы же убивают только что вылупившихся гусениц. Новые бактериальные штаммы действуют специально против колорадского жука. Насекомых, питающихся на лесных деревьях, например трубковерта дубового или различные виды шелкопрядов, можно ликвидировать так же направленно, как домашних мух, златогузок или комаров Anopheles, не затрагивая существования других насекомых, в частности пчёл. В Советском Союзе против непарного шелкопряда и монашенки, а в США против шиповатого червя успешно применяют вирусы. Для борьбы с колорадским жуком, яблонной плодожоркой и комарами используются микроскопические грибы.
Так называемая биологическая защита культурных растений направленно нацелена против вредных насекомых, характеризующихся массовым размножением. При этом не нарушается уравновешенное совместное обитание всего живого и, кроме того, в нашу природную среду не попадают ядовитые вещества.
«Противоморозобойные» бактерии
К большим потерям урожая помимо вредителей приводят также неожиданные ночные заморозки весной или ранней осенью. Но холод повреждает растения лишь в том случае, если на растениях и внутри их различных частей (корни, стебли, листья) образуются кристаллы льда.
Было обнаружено, что на растениях живут и выделяют белки миллиарды бактерий вида Pseudomonas syringae. Вокруг этих так называемых бактерий – «льдообразователей» и их белков при минусовых температурах формируются кристаллы льда. Эксперименты показали, что если избавиться от этих бактерий, то на растениях не образуется кристалликов льда вплоть до −8 °С. И напротив, в присутствии бактерий – «льдообразователей» на растениях уже при температурах, близких нулю, возникают кристаллы льда, повреждающие растительные ткани. Этим «вредным» бактериям найдено и полезное применение: их добавляют к воде в «снеговых пушках»; даже при небольшом охлаждении они способствуют образованию снега, необходимого для создания снеговых покрытий с целью обеспечения условий для занятия зимними видами спорта.
Однако более интересна другая идея: была сделана попытка трансформировать генно-инженерными методами бактерии – «льдообразователи», а именно направленно вырезать из бактериальной ДНК ген, контролирующий образование «ледового» белка. После этой «операции» бактерии уже не могли продуцировать «ледовый» белок. И действительно, вокруг этих изменённых бактерий уже не образовывались кристаллы льда! Для пробы эти бактерии были использованы для опрыскивания посадок земляники. Оказалось, что «противоморозобойные» бактерии подавили развитие бактерий – «льдообразователей» и предохранили растения от внезапных понижений температуры. В данном случае земляничные растения служили всего лишь в качестве экспериментальных растений, поскольку основная задача состоит в защите от заморозков апельсиновых, грейпфрутовых и лимонных деревьев. Не исключено, что в будущем эти растения, чувствительные к минусовым температурам, можно будет выращивать на территориях, находящихся на несколько сот километров севернее.
Эти возможности ещё проверяются. Дело в том, что некоторые исследователи опасаются, что новые микробы могут распространиться по всему миру и нарушить природное равновесие различных видов. В этой связи биотехнологи несут особую ответственность, ведь надо гарантировать, что новые микробы вполне безопасны, и не допускать нанесения ущерба природе и человеку.
Чистая вода благодаря работе микробов
В 1892 г., а это в общем-то не так уж и давно, жители Гамбурга полагали, что они могут брать воду для питья непосредственно из рек Эльба и Альстер. Но такие представления имели трагический конец – жителей Гамбурга «косила» холера. Вода многих рек давно уже перестала быть чистой; это была среда обитания микробов, в том числе и опаснейших возбудителей холеры. В больших городах очистка сточных вод стала обязательной. Сегодня каждый городской житель ежедневно «продуцирует» 150—200 л сточных вод. При производстве 1 т бумаги объём сточных вод примерно такой же, как объём бытовых сточных вод от 1000 человек, и нередко сток одного химического предприятия соответствует по объёму стокам города с миллионным населением.
Естественной самоочищающей способности рек, обусловленной деятельностью микроорганизмов, теперь уже не хватает, поэтому сточные воды приходится разлагать с помощью микроорганизмов в гигантских очистных сооружениях с тем, чтобы стоки можно было вновь спускать в реки и озера без ущерба для природной среды.
При очистке сточных вод микроорганизмы проделывают особенно трудную работу. Потребляя кислород в процессе дыхания, они с его помощью разлагают содержащиеся в сточных водах сахара, жиры и белки до углекислого газа и воды и на этой основе растут и строят свои новые клетки. Очистные установки предоставляют им наилучшие условия для развития, размножения и для деструктивной деятельности. Это гигантские «биофабрики», и их «биопродуктом» является чистая вода.
При очистке сточных вод прежде всего из них удаляются макрозагрязнения: бумага, куски дерева, обрывки материи. Тяжёлые частицы песка осаждаются в пескоуловителе. Лишь после этого более лёгкие взвешенные частицы концентрируются на дне отстойника в илоуловителе. Далее сточные воды поступают в аэротенк[21]21
Аэротенк – аэрируемый резервуар.– Прим. перев.
[Закрыть], где поддерживаются идеальные условия для жизнедеятельности микробов. В аэротенке бактерии, дрожжи и грибы образуют с веществами сточных вод большие хлопья («активный ил»), которые не распадаются благодаря слизи, выделяемой бактериями. Основная проблема этого биопроцесса связана со снабжением микробов кислородом. На расщепление 1 г сахара микробы расходуют более 1 г кислорода, а растворимость кислорода в воде при нормальной температуре составляет всего лишь 9 мг/л. Поэтому очень скоро после начала микробиологического процесса весь содержащийся кислород будет полностью израсходован микроорганизмами. Таким образом, для успеха дела сточные воды в аэротенке должны постоянно перемешиваться и обогащаться кислородом. Кстати, человек продуцирует за сутки столько сточной воды, что на её разложение микроорганизмы расходуют 54 г кислорода. Для обеспечения аэрации сточных вод аэротенк снабжён вращающимися щетками, лопастями, а также трубой, через которую в воду нагнетается воздух. Воздух постоянно «завихряет» хлопья активного ила, благодаря чему они не достигают слишком больших размеров, остаются взвешенными и хорошо обеспечиваются кислородом. Микробы хлопьев поглощают вещества сточных вод, разлагают их в процессе дыхания и при этом размножаются.
Часть микробных хлопьев осаждается затем во вторичных отстойниках в виде ила. Меньшую часть возвращают в аэротенк для того, чтобы иметь достаточное количество микробов для окисления вновь поступающих сточных вод. Весь осадок, собранный из первичного и вторичного отстойников разлагается в септиках или метантенках[22]22
Септик и метантенк – сооружения для сбраживания с помощью микроорганизмов осадка сточных вод.– Прим. перев.
[Закрыть] метанобактериями до образования «биогаза» (метана). Этот газ может быть очень рационально использован путём сжигания для получения тепла. Остаточный «переброженный» ил высушивают и нередко применяют в качестве удобрения.
Резервуары очистных сооружений занимают большую площадь; это условие, однако, трудно выполнить в промышленных районах. Поэтому за последние годы биотехнологами для очистки сточных вод были разработаны «малогабаритные» башенные биореакторы высотой примерно 15—20 м.
Сточные воды промышленных предприятий нередко содержат трудноразлагаемые вещества и яды, например синильную кислоту и соединения ртути. Эти вещества не разлагаются «нормальными» микробами, они даже убивают многие микроорганизмы. Поэтому идут поиски новых высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, которые могли бы утилизировать и эти ядовитые примеси. Например, индийский биотехнолог профессор Ананда Чакрабарти выделил «супербактерии», способные расщеплять высокотоксичное средство 2,4,5‑Т[23]23
2,4,5‑Т – трихлорофеноксиуксусная кислота.– Прим. перев.
[Закрыть], которое США применяли во время войны во Вьетнаме для того, чтобы вызвать «листопад» в больших массивах джунглей[24]24
Химические препараты из группы пестицидов, вызывающие старение листьев – искусственный листопад, известны под названием дефолианты. Применяются в сельском хозяйстве в предуборочный период для дефолиации растений (удаления листьев), в основном у хлопчатника.– Прим. перев.
[Закрыть]. Профессор Чакрабарти выделил также подлинных «пожирателей» нефти. Эти бактерии с «жадностью» набрасываются на ядовитые нефтяные остатки. Они применяются для быстрого разложения нефти в случае катастроф с нефтяными танкерами, когда огромные площади моря находятся под угрозой загрязнения нефтепродуктами. Впоследствии микроорганизмы, размножившиеся в огромных количествах, поедаются другими морскими животными и благодаря этому быстро исчезают. Но катастрофы, происходящие с танкерами, это всего лишь малый процент нефтяных загрязнений. Ежегодно в моря попадает примерно 6 млн т нефти, четвёртая часть этого количества – в результате очистки порожних танкеров в открытом море, треть – со сточными водами, приносимыми реками. Кстати, «нефтееды» профессора Чакрабарти являются первыми в истории «новообразованными» живыми существами, на которые был выдан патент.
В Институте биотехнологии в Лейпциге были выделены штаммы бактерий, поглощающие и откладывающие в своих клетках ртуть. Если этих «собирателей ртути» осадить на фильтре, то тем самым можно вновь уловить ртуть из сточных вод. Водоросли тоже обладают способностью накапливать в своих клетках ртуть, свинец и серебро и благодаря этому очищать сточные воды.
И всё-таки самый короткий и простой путь к тому, чтобы защитить водный бассейн нашей планеты, это разработка таких производственных процессов, которые вовсе не выделяют вредных продуктов в окружающую среду! Именно этой цели желают достичь биотехнологи.
Биосенсоры: о загрязнении сигнализируют микробы
Откуда же, собственно говоря, становится известно, насколько велико загрязнение сточных вод?
Сточные воды на содержание разлагаемых и токсичных веществ могут анализировать сами микробы. Для этого отбирают пробы сточных вод. Сначала в каждой пробе определяют концентрацию кислорода, затем в пробы вносят микробов, живущих в сточных водах, бутылки с пробами плотно закрывают и спустя 5 сут вновь определяют в каждом сосуде содержание кислорода в пробах. В пробах с высокой степенью загрязнения содержится много питательных веществ, следовательно, здесь микроорганизмы потребляют больше кислорода, чем в сосудах с «чистыми» сточными водами. Но 5 сут – это слишком продолжительный срок. За это время сильно загрязнённые сточные воды успевают поступить в реки в огромных количествах. Значит, нужен более ранний «предупредительный сигнал»!
В течение последних 10 лет были сконструированы «биосенсоры» – биологические измерительные зонды, которые в пределах нескольких минут показывают степень загрязнения сточных вод. Биосенсор – это электрод, соединённый с электронным табло, на котором появляются сведения о содержании кислорода в данной жидкости. На поверхность этого электрода наносится тонкий слой микробов, живущих в сточных водах, микробы удерживаются на электроде при помощи плотного фильтра. Погрузив такой биосенсор в жидкость, можно непосредственно «измерить» дыхание микробов. В том случае, когда биосенсор находится в чистой воде, микробы почти не дышат, поскольку слишком мало питательных веществ находится в их распоряжении, и биосенсор подаёт совсем слабый сигнал. Напротив, если биосенсор погружён в пробу сточных вод, содержащую много питательных веществ (то есть сильно загрязнённую), то микробы получают много «корма», они дышат более интенсивно, потребляют больше кислорода и биосенсор реагирует сигналом большей силы. При этом способе контроль сточных вод может быть осуществлён за одну минуту.
С помощью таких же биосенсоров можно определять и концентрацию питательных веществ в биореакторе. Существуют биосенсоры, работающие на основе ферментов, извлекаемых из микробов. Например, прибор с биосенсором, несущем на поверхности своего электрода фермент глюкозооксидазу, за 1 ч может с большой точностью определить более чем в 100 пробах крови или мочи, не содержится ли в них повышенное против нормы количество сахара, то есть диагностировать заболевание сахарным диабетом. Биосенсоры особенно пригодны для серийных анализов, с их помощью можно за короткий срок проверить здоровье тысяч людей.
Самые крупные промышленные биопредприятия в мире – это предприятия для очистки сточных вод. Их главный продукт – чистая питьевая вода. В качестве побочных продуктов могут вырабатываться биогаз (для энергетических целей) и удобрения.
Биосенсорная система ЕСА‑20, созданная в ГДР. В течение одного часа с помощью этой системы, работающей в автоматическом режиме, можно выполнить полный анализ на глюкозу в 150 пробах крови. Прибор снабжён микрокомпьютером; после погружения отростка пробоотборника в пробу крови результат анализа уже через 5 с появляется на электронном табло, а затем выдаётся в виде распечатки на диаграммной ленте.
«Мозгом» биосенсорного устройства является чувствительный электрод, на котором в тонком слое между полупроницаемыми мембранами находятся ферменты (например, фермент глюкозооксидаза для измерения количества глюкозы) или живые микробы (для определения степени загрязнения сточных вод). Электрод преобразует сигнал, полученный от ферментов или микробов, реагирующих селективно только на «свой» компонент испытуемой пробы, в электрический сигнал. Определяемые вещества (например, глюкоза) легко проникают через поры полупроницаемой мембраны, в то время как обладающие гораздо большей пространственной структурой ферменты или микробы удерживаются мембраной на электроде, благодаря чему небольшие количества ферментов или микробов могут быть тысячекратно весьма экономично использованы для новых измерений.
Возобновляемые источники энергии. Что это?
В Бразилии сотни тысяч автомашин работают на «новом горючем». Это горючее – этанол (этиловый спирт)! Толчком к внедрению спирта в качестве моторного топлива послужил энергетический кризис, разразившийся в семидесятых годах, когда цены на нефть на мировом рынке внезапно сильно поднялись. В Бразилии добывается мало нефти, поэтому импорт нефти вскоре стал тяжким бременем для этой страны. В поисках выхода для Бразилии было запланировано производство спирта из растительного сырья.
Автомобиль с двигателем, работающим на этаноле, на плантации сахарного тростника – сырья для производства этанола – горючего для автомобилей (Бразилия).
Благодаря значительной протяжённости и тропическому климату Бразилии разведение сахарного тростника на огромных площадях не представляет в этой стране никаких технических трудностей.
В этом крупнейшем в мире биотехнологическом проекте тростниковый сахар сбраживается с помощью дрожжей, образуя спирт. В 1985 г. было получено 10 млрд л спирта! Таким образом, Бразилия – самый крупный производитель спирта в мире.
Помимо сахарного тростника, который хорошо растёт только на плодородных почвах, предлагается также ввести в производство крахмалистое растение кассаву (маниок). В отличие от сахарного тростника картофелеподобные растения кассавы растут и на скудных почвах. Но у них сначала приходится расщеплять крахмал с помощью амилаз до сахаров, которые потом уже сбраживаются дрожжами до спирта.
До сих пор считалось, что бразильский вариант биотехнологического решения топливной проблемы был наилучшим. Однако получилось, что в Бразилии огромные площади пахотной земли засеяны «автомобильным кормом». Чтобы произвести количество спирта, достаточное для удовлетворения годичной потребности в горючем автомобиля с пробегом, равным 12 000 км, нужно собрать растения с 13 000 м2 пашни. Между тем для годового питания одного человека требуется всего 800 м2. Другими словами: один автомобиль отбирает пищу примерно у 18 жителей! А ведь в Бразилии миллионы людей страдают от недоедания! К этому добавляются и экологические проблемы: из экономических соображений промышленные стоки спиртовых заводов спускают в реки неочищенными, превращая их в мёртвые воды, на огромных территориях вырубаются тропические леса, то есть погоня за спиртом приводит к нарушению хрупкого природного равновесия.
Тем не менее основная идея об освоении биологических источников энергии, которые в противоположность нефти и каменному углю постоянно возобновляются, имеет большую будущность. Во многих странах рационально перерабатывают на спирт непригодные к иному употреблению отходы сельскохозяйственной продукции. При переработке сахарной свёклы и сахарного тростника они накапливаются в виде мелассы, при производстве творога и сыров – в виде сахаросодержащей сыворотки.
Однако спирт служит не только для получения энергии, его используют также в промышленности в качестве растворителя и в качестве исходного материала для получения красителей, искусственных волокон, клеёв и косметических изделий.
Древесные отходы также могут быть расщеплены ферментами до сахаров. В некоторых странах, богатых лесом, закладывают даже «энергетические плантации». Это быстрорастущие породы деревьев, древесина которых каждые 3—5 лет регулярно «собирается» и перерабатывается в сахар, используемый в качестве источника питания для микроорганизмов. Правда, для многих развивающихся стран древесина стала таким же дефицитным товаром, как в иных регионах продукты питания. В некоторых засушливых районах Африки годовое потребление дров на душу населения только для приготовления пищи составляет всего 0,5 м3. Последние леса «сжигаются», пустыня продвигается всё дальше. Но чем же завтра будут люди отапливать свои очаги? Биотехнология и здесь предлагает выход: получение биогаза.
