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

Автор книги: Илька Реннеберг

Соавторы: Рейнхард  Реннеберг
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 9 страниц)

Биотехнология для лакомок

Кариес – разрушение зубов – одно из самых распространённых заболеваний человека, это своего рода «эпидемия» в современном обществе. Возникновение кариеса обусловлено деятельностью бактерий, которые питаются остатками сладкой пищи в полости рта. В результате бактерии образуют отложения и выделяют кислоты, разрушающие зубную эмаль. Поэтому наиболее частыми «жертвами» кариозных бактерий становятся любители сладостей. Бороться с этими бактериями можно при помощи чистки зубов и укрепления их путём приёма фтора, а также путём сокращения потребления сахара.

Однако почти никто не проявляет большой охоты отказаться от сладкого. Поэтому уж давно идёт поиск таких заменителей сахара, которые бы, не отличаясь от него по вкусу, в то же время не служили пищей кариозным бактериям, а также имели значительно меньшую калорийность (пищевую ценность), благодаря чему не способствовали увеличению массы тела «сластены». Хотя найденные ранее заменители сахара – цикламаты и сахарин – очень сладкие, но всё же они не имеют вкуса «настоящего сахара»[30]30
  Цикламаты, соли цикламовой кислоты, как обнаружилось, имеют канцерогенные свойства, поэтому вообще не могут применяться в пищу.– Прим. перев.


[Закрыть]. Поиски новых веществ со сладким вкусом продолжаются. Это необходимо не только для лакомок, но и для миллионов больных «сахарной болезнью» (сахарным диабетом), для которых сахар может играть прямо-таки роль яда. Кроме того, к сожалению, всё время возрастает число людей с избыточной массой тела; очень часто причина этого состоит попросту в том, что едят слишком много сахара и жиров. Виноградный сахар, образуемый из крахмала амилазами, видимо, не совсем подходит в качестве заменителя сахара из-за своего недостаточно сладкого вкуса; его применение, следовательно, приведёт к увеличению доз, то есть опять-таки к избыточному поглощению питательных веществ.

Но вот в 1957 г. исследователи ферментов нашли у микробов новый фермент – глюкозоизомеразу. Этот фермент преобразует виноградный сахар (глюкозу) во фруктовый сахар (фруктозу). Фруктоза же даже на 80 % слаще, чем свекловичный сахар! Следовательно, стоило «только» при помощи глюкозоизомеразы превратить глюкозу во фруктозу, чтобы появилась возможность получать из крахмала очень сладкий сахар.

В 1966 г. японские учёные впервые успешно получили фруктозный сироп из глюкозы. Этот фруктозный сироп был удивительно сладким на вкус и содержал меньше питательных веществ, чем свекловичный сахар, но зато был существенно дороже.

В 1974 г. мировые цены на свекловичный и тростниковый сахар неожиданно возросли в 7 раз. После этого многие фирмы по производству сахара почти сразу заинтересовались новым сиропом.

Но фермент был всё ещё очень дорог. Дело в том, что микробы не выделяли его в окружающую среду, подобно амилазам и протеазам, и поэтому его приходилось с большими трудностями изолировать из клеток микроорганизмов – из смеси тысяч различных веществ!

Поэтому исследователи решились иммобилизировать дорогую глюкозоизомеразу, что позволило использовать её многократно. Кроме того, благодаря иммобилизации фермент стал более устойчивым. Итак, производство фруктозного сиропа налажено. Это было огромным достижением! Когда в 1976 г. цены на сахар вновь упали до прежнего уровня, фруктозный сироп был уже не только слаще, но благодаря различным техническим усовершенствованиям и дешевле, чем тростниковый и свекловичный сахар. Он одержал победу. Сегодня в мире при помощи иммобилизованной глюкозоизомеразы ежегодно получают 3 млн т фруктозного сиропа, который применяется главным образом для производства безалкогольных (освежающих) напитков.

На приведённом примере с фруктозным сиропом можно со всей очевидностью понять, что разработка нового биотехнологического способа – это ещё не все. Необходимо, чтобы новый биопродукт был лучше или по меньшей мере дешевле ранее получаемого продукта, иначе он не будет иметь успеха на мировом рынке.

В последнее время даже у фруктозного сиропа появился «биотехнологический конкурент» – было открыто новое сладкое вещество, которое в 200 раз слаще, чем сахар. Удивительно, что этот новый «сахар» представляет собой «мини-белок», его молекула состоит всего из двух аминокислотных остатков – строительных «блоков» аспартата и фенилаланина; вещество называется «аспартам». Обе «безвкусные» (несладкие) аминокислоты аспарагиновая кислота и фенилаланин продуцируются бактериями в биореакторах в громадных количествах порознь и лишь потом при помощи фермента связываются друг с другом в двухзвенную цепь. Именно эта двухзвенная цепь – молекула аспартама и обладает сладким (сахарным) вкусом. В отличие от других сладких веществ, таких, как сахарин или цикламаты, он имеет вкус «настоящего» свекловичного или тростникового сахара. Пока что аспартам дороже, чем фруктозный сироп. Но если только с помощью генно-инженерных методов удастся заставить микробов производить аспартам сразу «в готовом виде» либо вырабатывать более дешёвым способом и в ещё больших количествах оба аминокислотных блока по отдельности, то не исключено, что аспартам вскоре «победит» своих сладких «конкурентов». Чтобы подсластить чашку чая, достаточно такого количества аспартама, которое, усваиваясь организмом, соответствует поглощённой энергии всего лишь в 4 Дж (примерно 1 кал)!

Микробы как приправа в супах

Аминокислоты могли бы не только делать сладким наш чай или кофе, но и улучшать вкус в качестве приправы нашего обеда. Одна из аминокислот в виде своей соли глутамата уже сегодня имеется в каждой кухне в качестве приправы. В Европе глутамат пока ещё чаще всего получают из пшеницы. Но мировое производство, составляющее 500 000 т ежегодно, основано почти повсюду на микробиологическом способе с помощью коринебактерий и бревибактерий! Глутамат используется как приправа для супов и соусов. Он усиливает их пикантный вкус, более того, он способствует возбуждению аппетита даже у домашних животных!

Разумеется, более важной целью, чем повышение аппетита, является производство аминокислот микробами для дешёвого и полноценного питания сельскохозяйственных животных. Из 20 различных аминокислот, из которых человек и животные строят свои белки, животные, не относящиеся к жвачным, например свиньи и домашняя птица, не в состоянии сами синтезировать восемь аминокислот и поэтому должны получать их с пищей. Особенно важна аминокислота лизин. Она содержится в чрезвычайно малых количествах в злаковых культурах. Между тем такие аминокислоты, как лизин, совершенно необходимы для здоровья животных и человека. При кормлении сельскохозяйственных животных 1 т лизина в качестве подкормки заменяет 75 т зерна, 5 т рыбной муки или 9 т соевого шрота[31]31
  Шрот – измельчённые семена масличных растений после экстрагирования из них жира. Применяется как концентрированный корм для животных.– Прим. перев.


[Закрыть].

Со временем раскрываются всё новые свойства аминокислот и белков. Так, японские исследователи нашли «мини-белок», молекула которого состоит из двух аминокислотных остатков и который обладает вкусом поваренной соли! Из одной из солей глутамата создано даже «аминокислотное» мыло. Оно образует нежную пену (напоминающую пену взбитого «метёлкой» («венчиком») белка куриного яйца) и благодаря своему биологическому происхождению очень хорошо переносится даже чувствительной кожей. Более того, это мыло съедобно!

Наряду с аминокислотами человеку и животным требуются также витамины. Большинство витаминов помогают клеточным ферментам в их работе, и, подобно ферментам, их можно тысячекратно использовать повторно, поэтому они требуются всего лишь в следовых количествах. Но если витамины почему-либо отсутствуют, то и ферменты, и клетки и как следствие этого сами живые существа перестают правильно функционировать. Мы поглощаем витамины с фруктами, овощами, мясом, молоком и яйцами. Однако в животноводстве требуются очень дешевые витамины. В настоящее время при помощи бактерий (пропионовые бактерии Pseudomonas) и гриба Ashbya можно, например, очень недорого получать витамины так называемой группы B. Кстати, производственные штаммы этих микробов продуцируют по сравнению со своими природными («дикими») «родичами» в 20 000 раз больше витамина B2 и в 50 000 раз больше витамина B12.

Иммобилизованные ферменты применяются также для производства аминокислот. Ферментативные процессы, подобно всем другим биотехнологическим процессам, идут при температурах не выше 100 °С, нормальном давлении и не требуют ни подщелачивания, ни подкисления.

При создании новых видов антибиотиков, устойчивости к которым у микробов ещё не существует, тоже используются иммобилизованные ферменты. Они изменяют в определённых местах строение известных, продуцируемых микробами антибиотиков, после чего ферменты болезнетворных микроорганизмов, например пенициллиназы, уже не в состоянии «распознать» эти антибиотики «как микробные яды» и потому не могут их инактивировать.

Кроме того, иммобилизованные ферменты способны направленно разлагать ядовитые вещества в сточных водах. Исключительно сильными и к тому же с трудом устраняемыми ядами, возникающими в промышленности в качестве побочных продуктов, являются синильная кислота и её соли цианиды (наиболее известен цианид калия – цианистый калий). Было обнаружено, что многие растения постоянно выделяют цианид в почву, чтобы защитить себя от вредителей, но что даже в непосредственной близости от растений для некоторых микробов этот яд неопасен. Действительно, эти микроорганизмы продуцируют «обезвреживающий» фермент цианидгидратазу, которая молниеносно преобразует ядовитый цианид в абсолютно безвредный продукт. Основываясь на этом, был разработан способ, при котором указанный фермент выделяют из низших грибов и затем помещают в биореактор, где он «обезвреживает» сточные воды, содержащие цианиды.

Сегодня в большинстве случаев ферменты используют в превращениях веществ, протекающих в одну стадию, либо если эти превращения невозможно осуществить в результате обычного химического процесса, либо если химический процесс очень сложный или дорогой.

Правда, уже предпринимаются попытки разработать технологию с последовательным «включением» нескольких ферментов, подобно тому как это происходит в любой клетке.

Однако было бы целесообразно посредством «последовательно включенных» иммобилизованных ферментов вырабатывать, например, спирт из глюкозы, так как для этого потребовалось бы использовать 12 различных сложных ферментов из дрожжевых клеток. Причём для этого их нужно было бы предварительно выделить и очистить. Пока что гораздо проще и лучше это исполняют неповреждённые живые дрожжевые клетки.

А нельзя ли, подобно ферментам, иммобилизовать и клетки? Прямо-таки удивительно, что эта мысль возникла всего несколько лет тому назад – только после того, как были успешно иммобилизованы ферменты – и оказалось, действительно: это всё функционирует!

В настоящее время уже действуют большие опытные установки для получения спирта с помощью иммобилизованных дрожжей. При этом дрожжи включены в пористые шарики. Глюкоза легко проникает через поры к дрожжам, образовавшиеся спирт и углекислый газ также легко покидает шарики. Шариками заполняют колонны биореакторов вместимостью 2000 л. Упрощённая схема такая: сверху в колонны поступает раствор сахара, а снизу из неё льётся спирт. Иммобилизованные дрожжи непрерывно «трудятся» примерно в течение четырёх месяцев и в течение всего этого времени ими продуцируется 2400 л спирта в сутки. В то же время в случае «нормального» получения спирта при помощи свободно плавающих в растворе дрожжевых клеток необходимо через каждые несколько дней регулярно заменять старые дрожжи новой партией дрожжей.

При старом способе производства приходилось через несколько дней начинать весь процесс сначала – с новым сахарным раствором, новыми дрожжами и в вычищенном реакторе. В противоположность этому биореактор с иммобилизованными дрожжевыми клетками функционирует в течение длительного времени, он в 10 раз более продуктивен, а потому и продукция намного дешевле, чем при прежнем способе.

Дрожжевые клетки, иммобилизованные внутри пористых шариков, месяцами сохраняют жизнеспособность и вырабатывают из поступающего раствора сахара спирт, который в свою очередь покидает полимерные шарики и выходит из колонны.

Новые белки как средства против болезней

В настоящее время микроорганизмы, трансформированные генно-инженерными методами, продуцируют уже человеческий инсулин для лечения больных диабетом и человеческий интерферон, первое действенное средство против вирусных инфекций.

Это всего лишь первые «дети» биотехнологии, без которой о них вообще мы не могли бы говорить. Однако список белков человека и животных, настоятельно требующихся для лечения или предупреждения болезней, далеко не ограничивается этим; в частности, здесь как цель биотехнологии следует назвать биологически активные факторы (гормоны), стимулирующие развитие; ферменты, препятствующие образованию сгустков в крови и потому применяемые как средство против сердечных инфарктов, вакцины против гриппа, инфекционного гепатита (желтухи) и других вирусных болезней, а также против болезней, вызываемых паразитами, например малярии; и, наконец, новые белки, подавляющие злокачественный рост клеток (раковых клеток).

Против тромбов, образующихся при инфарктах, активно действует вырабатываемый в биореакторах клетками млекопитающих белокрасщепляющий фермент – тканевой активатор плазминогена t‑PA (от англ. tissue Plasminogen activator).

t‑PA отщепляет фрагмент от другого циркулирующего в крови фермента (плазминогена) и тем самым предоставляет ему возможность активно растворять сеть из белковых нитей (фибрин), которая крепко удерживает кровяной сгусток (тромб). Благодаря этому сердце быстро начинает вновь снабжаться кислородом и питательными веществами. Есть предположения, что уже в девяностые годы t‑PA поможет спасти жизнь миллионам людей.

Пластмассы, текстильные изделия, электроника… И всё это в результате деятельности микробов?

Всё больше новых продуктов, ранее вовсе не известных, появляется на свет благодаря развитию биопромышленности. Например, определённые микробы поразительным образом могут продуцировать из сахара полимерные вещества, то есть без использования нефти и сложных энергоёмких установок. Так, бактерия Alkaligenes eutrophus образует полигидроксибутират. Её клетки накапливают этот полимер в количестве, достигающем 80 % собственной массы. В таком случае бактерия состоит почти вся из пластмассы! Продуцируемый полимер служит клеткам в качестве запасного материала (подобно крахмалу в растительных клетках) и потому обладает ценным преимуществом перед всеми химически получаемыми полимерными материалами: он разлагается также биологически! Например, нити из «биопласта» могут использоваться для наложения швов на послеоперационные раны.

Эти бактерии на 80 % состоят из пластмассы! Alkaligenes eufrophus образует из сахара полимер полигидроксибутират (ПГБ), который она накапливает в качестве запасного материала.

Другие микроорганизмы образуют из крахмала уже другой полимер пуллулан. Из пуллулана изготавливают тонкие плёнки, в которые можно герметично упаковывать пищевые продукты, сохраняя их свежими. А потом продукты вместе с упаковкой можно класть в кастрюлю и варить, так как пуллулан (подобно крахмалу) съедобен и растворяется в горячей воде. При производстве этих новых «микробных» пластмасс экономится энергия и сырьё, и к тому же они не загрязняют окружающую среду: они быстро разрушаются микробами.

Возможно даже, что недалёк тот день, когда мы будем ходить в одежде, сотканной из нитей, изготовленных микробами из сахара. У некоторых микроскопических грибов грибные нити (гифы) образуют густое плетение, это также может быть использовано, например для изготовления бумаги и текстильных изделий. Эти «нити» значительно тоньше, чем хлопчатобумажные волокна, и всё же очень прочны. Уже сегодня подобные новые текстильные изделия применяются в медицине при оказании неотложной помощи в качестве искусственной «кожи» для закрытия обширных ран.

Биополимерный материал ПГБ обладает всеми «хорошими» свойствами химически изготовленной пластмассы, однако в отличие от неё легко разлагается микробами.

Наряду с полимерами микробы могут производить и новые материалы для электроники. Нам всем знакомы жидкие кристаллы цифровых индикаторов электронных часов или микрокалькуляторов. Бактерии рода нокардия образуют в своих клетках вещества, которые можно применить для жидких кристаллов нового типа. Эти кристаллы реагируют на сигналы значительно быстрее, чем прежние системы, следовательно, их можно было бы применить, например, для особоплоских телевизионных экранов. Телевизор будущего, висящий на стене наподобие картины,– не случится ли так, что этот проект будет осуществлён именно с помощью микробов?

Сравнение химического производства старого типа с современным биопроизводством.

В этих 14‑литровых биореакторах (фирма «Генекс», США) образуется первый в мире биоклеящий материал. Каждый знаком с тёмно-фиолетовыми раковинами съедобных мидий (Mytilus edulis), которые во всех морях прикрепляются к сваям, камням, буям и днищам шлюпок при помощи тонких прочных биссусовых [32]32
  Биссус – секрет биссусовой железы (имеющейся в ноге у двустворчатых моллюсков), затвердевающий при выделении в прочные нити. Из биссуса моллюска пинны и др. в древности изготовляли особую ткань – вискон.– Прим. перев.


[Закрыть] нитей. Эти нити состоят из белка, который действует как клей. В отличие от химических клеев биоклей и в морской воде долгие годы сохраняет крепость камня. С помощью современных методов генной инженерии удалось передать кишечной палочке и дрожжевым клеткам способность вырабатывать белок ракушек; это и используется в биореакторах. По всей вероятности, биоклей в первую очередь начнут применять в своей практике зубные врачи.

Биотехнология уже сейчас развивается в таком захватывающем дух темпе, каким до сих пор продвигалась вперед только ещё одна ключевая технология – микроэлектроника.

Ещё несколько лет тому назад термин «чип»[33]33
  Чип – первоначально тонкая пластинка кремния размером 0,2—1 см². Ныне под чипом понимается интегральная схема в отдельном корпусе.– Прим. перев.


[Закрыть] был понятен исключительно специалистам. Сегодня электронные часы, микрокалькуляторы – предметы повседневного обихода. Роботы и компьютеры внедряются во все отрасли промышленности. Точно так же мы доживём и до того, что биометоды и биопродукты, о которых мы сегодня совсем ничего не знаем, постепенно станут занимать всё большее место в нашей будущей будничной жизни и промышленном производстве.

Такие непривычные сегодня названия, как пуллулан, аспартам, фруктозный сироп, биогаз или интерферон, вероятно, войдут в нашу обиходную речь. К этому добавится ещё множество новых наименований и продуктов.

Обе передовые технологии, микроэлектроника и биотехнология, производят переворот не только в промышленности и практической повседневной жизни, они меняют наш образ мыслей! Вместо опасных и расточительных «дорог с движением в одном направлении» по схеме: сырье → продукт → отходы – мы должны достигнуть создания круговорота веществ, как это происходит в живой природе. Ведь в природе не существует отходов: каждый продукт – это одновременно сырьё для какого-нибудь нового процесса.

Так что же, считать биотехнологию панацеей от всех проблем человечества? Разумеется, нет! Но биотехнология создаёт научные и технические предпосылки, которые, возможно, сумеют помочь тому, чтобы все люди на Земле ощущали себя здоровыми и жили счастливо.

Современный завод по получению белка при помощи микробов по сравнению с природными «биофабриками» (на переднем плане!) имеет в 100 000 раз более высокую производительность!

Завод по производству кормовых дрожжей из отработанного сульфитного щелока, выдающий в качестве побочного продукта чистую воду (Пирна, ГДР).

Агрегаты для получения биогаза из сточных вод (Делфт, Нидерланды).

Биореактор для производства белка из метанола (Биллингхем, Англия).

Установка для производства спирта с помощью иммобилизованных дрожжевых клеток (Киушу, Япония).

Огромная масса потребляемых нами продуктов – это биопродукты; они ещё и сегодня производятся по проверенной тысячелетиями технологии, разработанной нашими далёкими предками. Очень давно человек заставил работать на себя бактерии, дрожжи и другие микроорганизмы. «Трудом» микроорганизмов производятся хлеб и хлебобулочные изделия, пиво, вино, спирт, сыр, эссенция и пекарские дрожжи.