Текст книги "Путешествие в страну микробов"

Автор книги: Владимир Бетина

Эргостерин принадлежит к группе химически сходных веществ, называемых стероидами. К ним относятся и некоторые важные гормоны. В организме человека и животных гормоны образуются в железах внутренней секреции, из которых они переносятся к месту действия циркулирующими в теле жидкостями. Недостаточное или чрезмерное образование гормонов в организме всегда ведет к различным нарушениям физиологических процессов. Познав природу и функцию гормонов, человек стал применять их в качестве лекарственных препаратов.

В 50-х годах значительно увеличился спрос на стероидные гормоны из коры надпочечников, которые применяются при ревматических заболеваниях суставов, а также при различных воспалительных процессах, аллергиях, кожных и глазных болезнях. Кроме того, они используются в качестве анестезирующих средств и противозачаточных препаратов. Некоторые половые гормоны применяются и при лечении рака.

Спрос на стероидные гормоны постоянно возрастал. Только в США за 1961 год их было продано на 150 миллионов долларов. Но получать их приходилось из органов животных и при этом очень трудоемким способом. Поскольку в природе существуют более дешевые химически близкие стероиды, ученые пытались использовать эти источники для получения редких лекарств. Основной проблемой было изменение молекулы более доступного природного сырья: в положение, обозначаемое химиками цифрой 11, необходимо ввести еще один атом кислорода. А это оказалось нелегким делом.

Американский химик Л. Саррет в 1946 году опубликовал сообщение о результатах своих исследований. Он хотел получить гормон кортизон из дезоксихеловой кислоты, содержащейся в желчи. Для «перемещения» атома кислорода из положения 12 в положение 11 ему потребовалось осуществить более десяти сложных химических операций. Кроме того, для преобразования молекулы дезоксихеловой кислоты в молекулу кортизона требовалось провести тридцать две химические реакции, причем каждая из них влекла за собой потерю половины предшествующего промежуточного продукта. В результате из 600 кг исходного сырья – сравнительно дорогой дезоксихеловой кислоты – он получил всего 938 г кортизона, то есть выход конечного продукта составлял менее двух десятых процента.

Гидроксильная группа, присоединяемая микробами в положение 11 при получении гидрокортизона

На помощь пришли микробиологи. Им уже давно были известны микроорганизмы, изменяющие стероидные соединения. Некоторые из них могут ввести в молекулу стероида атом кислорода как раз в положение И, то есть осуществляют процесс «11-бета-гидроксилирования». Химики с большой радостью приняли помощь микробиологов. Вместо 32 химических операций для получения гидрокортизона теперь достаточно всего нескольких стадий. При этом одну из важнейших для преобразования молекул реакций осуществляют микроорганизмы.

Еще на клинописных табличках, относящихся к 600 году до н. э. (Ассирия), было записано, что хлебные зерна бывают заражены каким-то ядом. В Средние века в Европе было несколько вспышек загадочных эпидемий, которые унесли тысячи человеческих жизней. В одну из эпидемий эрготизма в 994 году во Франции погибло около 40 000 человек. Через сто лет после этого был основан монашеский орден, члены которого обязаны были заботиться о больных эрготизмом… Вернемся еще раз к знаменитому Парацельсу, провозгласившему, что «все есть яд, и ничто не лишено ядовитости; одна только доза делает яд незаметным». Спорынья появляется в результате поражения хлебных злаков грибом Claviceps purpurea. В продолговатых черных зернах таится и смерть и спасение!

Немецкий врач Лоницер уже в конце XVI века упоминал о том, что повивальные бабки применяли «эргот» как средство, ускоряющее роды… Но это было единственным лечебным использованием спорыньи. В XIX веке врачи применили ее и в других целях. Чем же объясняется, что иногда спорынья бывает причиной смерти, а иногда излечивает?

Химики сделали целый ряд открытий. Они постепенно выделили из зерен спорыньи загадочные соединения, относившиеся к обширной семье веществ растительного происхождения, известных под общим названием алкалоидов. Оказалось, что спорынья содержит пеструю смесь алкалоидов, которые химики по мере выделения называли эрготоксином, эрготинином, эрготамином, эргоновином…

Среди ученых, занимавшихся исследованием алкалоидов, выделялась группа щвейцарских химиков во главе с Штоллем. Они доказали, что алкалоиды спорыньи имеют общий «химический знаменатель»: в основе их структуры лежит вещество, названное ими лизергиновой кислотой. Оно являлось таким же «ядром молекулы», как и 6-аминопенициллановая кислота, используемая в настоящее время для получения полусинтетических пенициллинов.

Таким «ядром», к которому химики стали присоединять самые различные «радикалы», стала илизергиновая кислота. При этом были получены новые алкалоиды, отличающиеся разнообразным биологическим действием.

Гофман, один из коллег Штолля, пережил приключение с невеселым началом, но, к счастью, благополучно закончившееся. Работая с одним из «искусственных» производных лизергиновой кислоты, зарегистрированным в дневниках лаборатории под шифром ЛСД-25, он случайно лизнул капельку препарата… Через несколько часов его отвезли в психиатрическое отделение больницы, так как, по мнению близких, Гофман сошел с ума. Врачи констатировали симптомы, схожие с теми, которые появляются при шизофрении… Через несколько дней Гофман вернулся в лабораторию вполне здоровым.

На собственном опыте он убедился, что ЛСД-25 вызывает галлюцинации. Американский ученый Корнфелд, также изучавший производные лизергиновой кислоты, позднее писал: «… меньше чем четверти килограмма соответственно дозированного ЛСД-25 было бы достаточно для временного превращения всех восьми миллионов жителей Нью-Йорка в шизофреников».

Препарат ЛСД-25, который сейчас, помимо всего прочего, применяется и при лечении алкоголизма, оказывает сильное и глубокое действие на центральную нервную систему. Некоторые люди, и таких немало, тайно «поклоняются» этому наркотику, занимаясь по существу самоубийством. Круг замкнут! Из яда (спорыньи) мы получили ценнейшие лекарственные средства (алкалоиды), которые в руках безответственных торгашей становятся источником баснословных прибылей, а в руках людей слабых и развращенных – средством собственной гибели.

Между тем исследование алкалоидов спорыньи продолжалось. Микробиологи «научили» их продуцента, Claviceps purpurea, расти и в лабораторных условиях, так же как когда-то заставили продуцентов антибиотиков вырабатывать эти ценные лечебные препараты в промышленных масштабах. Лизергиновую кислоту в настоящее время можно получить и из другого вида гриба – С. paspali, который обладает еще большими потенциальными возможностями, чтобы стать «промышленным микробом».

Интересна история алкалоида эфедрина. Вначале его получали из китайского кустарника ма хуанг (эфедры, хвойника), о лечебных свойствах которого китайцы знали уже тысячи лет. Но после первой мировой войны немецкий биохимик К. Нёйберг при помощи дрожжей преобразовал бензальдегид в соединение фенилгидроксипропанон, из которого позднее, применив всего одну-единственную химическую реакцию, химики получили эфедрин. Так из дешевого бензальдегида фармацевтическая промышленность получает теперь ценный алкалоид. Процесс может быть выражен такой упрощенной схемой:

Этот рассказ можно было бы продолжить, ведь теперь известны и другие алкалоиды, полученные из микробов. Возможно, что во многих лабораториях нас ждут новые неожиданности…

В производстве алкалоидов микроорганизмы могут быть использованы и как косвенные помощники. Например, выход алкалоидов из головок мака можно увеличить, если головки предварительно инфицировать некоторыми микроскопическими грибами, частично их разлагающими. При этом лучшие результаты даст химическая экстракция алкалоидов.

22. Микробы, пиво и вино

Я пью шампанское из этого бокала

За тех, чьи кости от Ла-Манша до Байкала

Покоятся в земле, чтоб больше не восстать.

Ночей не хватит мне над ними причитать.

Я пью шампанское – не кровь, как пьют иные;

Я верю в красоту, как в брюхо остальные.

Посмей не утверждать, что не пророк поэт,

Я пью шампанское, и смех – мой вам ответ.

Ян Смрек «Шампанское»

История виноделия своими корнями уходит в глубокую древность. По библейским сказаниям, праотцем всех виноделов был Ной, вырастивший большой виноградник. Косточки культурного винограда находят в египетских гробницах, хотя египтяне делали вино и из фиников, и из ячменя. Кстати, последнее было напитком простого люда, им омывали также тела умерших перед бальзамированием. В Грецию опыт виноделия пришел, по-видимому, из Малой Азии. Согласно мифу, с виноградной лозой Грецию познакомил бог вина Дионис. В «Илиаде» Гомер говорит, что на щите, который Гефест выковал для Ахиллеса, был изображен весь мир и дела человеческие. Не был забыт и виноград:

 
Сделал на нем отягченный гроздием сад виноградный,
Весь золотой, лишь одни виноградные кисти чернелись;
И стоял он на сребряных, рядом вонзенных подпорах.
Около саду и ров темно-синий, и белую стену
Вывел из олова; к саду одна пролегала тропина,
Коей носильщики ходят, когда виноград собирают.
Там и девицы и юноши, с детской веселостью сердца,
Сладостный плод носили в прекрасных плетеных корзинах.[41]41
  Гомер, «Илиада», изд-во «Художественная литература», М., 1967, стр. 321.– Прим. ред.


[Закрыть]
 

О роли дрожжей в получении вина долгое время ничего не было известно. Муть, осаждавшуюся в конце брожения на дне сосудов и состоявшую, как мы знаем, в значительной мере из клеток дрожжей, немецкий монах и алхимик XV века Базилиус Валентинус считал за faeces vini (выделения, облагораживающие вино). У французских вин очень давние традиции. Говорят, что бургундские виноградники были заложены 2000 лет назад. Когда в 600 году финикийцы основали портовый город Марсель, там уже якобы пили славное бургундское вино.

Луи Пастер, раскрывший сущность брожения, научил своих соотечественников «излечивать» болезни вин отбором качественных дрожжевых культур и пастеризацией готового продукта. Лучшими винными дрожжами являются Saccharomyces cerevisiae elipsoideus.

В Словакии виноделием славится область Малых Карпат, а также районы на юге и востоке страны. Центр виноделия на склонах Малых Карпат – старинный городок Модра, в гербе которого изображена веточка лозы с гроздьями винограда.

Пивоварение – один из самых древних производственных процессов – применяется человеком уже 5000 лет. Основателями пивоварения считают древних египтян. Согласно мифологии, бог Озирис научил человека варить пиво, чтобы облегчить ему тяготы жизни. В легендах северных народов хранителем и покровителем бродильных чанов был бог Химер.

В ассирийских табличках 2000 года до н. э. упоминается, что Утнапиштим (ассирийское имя Ноя) взял в свой ковчег среди прочих продуктов и пиво. Еще более древние сведения мы находим в шумерском рельефе древнего Ура (около 2600 лет до н. э., в эпоху, царствования царицы Шуб-ад). На нем изображены две женщины, потягивающие пиво через тонкие соломины (такой способ питья отнюдь не является достижением нашего века!). Приблизительно к тому же периоду относятся египетские папирусы четвертой династии, в которых описывается приготовление солода из ячменя (фото 65). Древние китайцы пили киу – напиток типа пива, получаемый из риса, – уже в 2300 году до н. э. Высадившийся в Центральной Америке Колумб обнаружил у индейцев пиво, приготовляемое из кукурузы.

На научную основу пивоварение было поставлено лишь Пастером, который на протяжении нескольких лет изучал «болезни» пива. В результате он получил точное представление о деятельности дрожжевых грибов и о влиянии посторонних микроорганизмов на процессы брожения. Свои наблюдения и рекомендации пивоварам ученый обобщил в 1876 году в книге «Исследования о пиве». Датский исследователь Эмиль Христиан Ганзен, изучавший микробиологические процессы, ввел в производство пива чистые культуры дрожжей. По названию Карлсбергской лаборатории в Копенгагене, рассылавшей пивные дрожжи во все страны мира, они получили название Saccharomyces carlsbergensis (фото 66).

В Европе основным сырьем для пивоварения служит ячмень. Зерна высококачественного ячменя насыпают слоем в несколько сантиметров, увлажняют и проращивают. Эти искусственно проращенные зерна называются солодом. Во время прорастания в зернах образуются ферменты, используемые в дальнейших процессах.

Солод высушивают, перемалывают и смешивают в определенной пропорции с водой. При постепенно повышаемой температуре (от 40 до 70 °C) в действие вступают ферменты, разлагающие крахмал на сахара, которые переходят затем в водный раствор. Кроме сахаров, в раствор попадают компоненты белков и минеральные соли. Полученную смесь подвергают кратковременному кипячению, после чего твердые частицы (дробину) отфильтровывают, а в оставшуюся чистую жидкость, называемую суслом, кладут шишки хмеля и снова варят. Из хмеля выделяются различные соединения, они придают жидкости особый аромат и обладают бактерицидными свойствами. При кипячении жидкость стерилизуется. Затем ее фильтруют, в результате получается раствор, содержащий различные сахара (преимущественно глюкозу), аминокислоты, минеральные соли и другие вещества. Он служит питательной средой для дрожжевых грибов, которые засевают в большие бродильные чаны. Брожение протекает при температуре около 10 °C и продолжается 10 дней, а при более высокой температуре (15–23 °C) – около недели. На поверхности бродящей жидкости в результате освобождения углекислого газа образуется пена.

Перебродившее таким образом пиво еще непригодно к употреблению и после отделения дрожжей должно в течение нескольких недель дозревать в больших сосудах при температуре около 0 °C. За это время процесс брожения постепенно заканчивается, некоторые вещества осаждаются. После их устранения в пиво вводят под давлением углекислый газ, способствующий образованию пены и обеспечивающий более длительную сохранность. Затем пиво разливают в бутылки, где оно подвергается пастеризации.

Под старым замком Матуша Чака на левом берегу реки Ваг на скале выбита надпись, свидетельствующая о пребывании в конце II века легии римского императора Марка Аврелия на территории теперешней Словакии. Скала и развалины замка на ней – свидетели древней славы города Тренчин. На правом берегу реки расположен небольшой завод, принесший известность городу и в наше время. Ежедневно с его конвейера сходят деревянные ящики с надписью «Тренчинские дрожжи». Проследим их путь, начиная с заводской лаборатории.

В небольшом сосуде Ганзена в жидкой питательной среде находится культура дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В каждой капельке среды видны под микроскопом тысячи овальных клеток. Из этого сосуда постепенным пересевом во все большие и большие сосуды дрожжи наконец попадают в большие цилиндрические емкости, называемые в производстве бродильными чанами. Там также находится питательная среда. Главный ее компонент – патока, получаемая с сахарных заводов. В патоке много примесей (до 50 %), так что добывание из нее сахара себя не оправдывает.

Кроме патоки, разведенной водой, питательная среда содержит фосфорнокислые соли, аммиак и другие необходимые для жизнедеятельности дрожжей вещества. После стерилизации жидкость в чанах охлаждают до 28 °C и засевают культурой дрожжей. При постоянно поддерживаемой температуре, непрерывном перемешивании и подаче стерильного воздуха дрожжи начинают усваивать подготовленную для них пищу. Содержащиеся в патоке сахара они разлагают на спирт и углекислый газ, вспенивающий жидкость в чанах и уходящий в атмосферу. При этом они получают энергию. Азот из аммиака, фосфор из солей фосфорной кислоты и углерод из сахаров – главные биогенные элементы, из которых клетки дрожжей образуют новую живую массу. Эта биомасса постепенно увеличивается, клетки, размножаясь, делятся на новые и новые, и по прошествии 12 ч брожение заканчивается. Дрожжи вместе с жидкостью поступают по трубам в сепараторы, где происходит их разделение – кашеобразная масса с дрожжами уходит в одном направлении, а жидкость – в другом. Из дрожжей под прессом удаляют воду и получают пекарские дрожжи – всем хорошо известную плотную, бесструктурную светлую массу.

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae применяются и в производстве спирта. Кроме приготовления напитков, спирт используется также в качестве ценного сырья в химической промышленности. Применяется он и в медицине.

Производственный процесс получения спирта очень схож с производством пекарских дрожжей. Основное различие – в интенсивности снабжения питательной среды воздухом. При поступлении в бродящую жидкость достаточного количества воздуха происходит полное разложение сахаров на углекислый газ и воду, причем образуется обильная масса дрожжевых клеток. Если же поступление воздуха в период брожения ограничено, разложение сахаров задерживается на стадии образования спирта. Чтобы лучше уяснить себе различие между производством дрожжей и спирта, попробуем кратко охарактеризовать происходящие при этом процессы.

Патока содержит углевод сахарозу, который под влиянием ферментов дрожжей разлагается на более простые соединения – глюкозу и фруктозу. Разложение этих сахаров происходит одинаково вплоть до важного промежуточного продукта, называемого пировиноградной кислотой. Вот тут-то и появляются существенные различия в производстве дрожжей и спирта. Если в питательную среду кислород поступает в достаточном количестве, то пировиноградная кислота включается в серию химических реакций, заканчивающихся ее разложением на углекислый газ и воду, причем освобождается химическая энергия, необходимая для образования белков в клетках, – так получают дрожжи.

За исследование процесса биохимических реакций от пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды двум английским биохимикам, Кребсу и Липмену, была присуждена Нобелевская премия. Кребс в то время заведовал кафедрой биохимии Оксфордского университета. Его коллеге Липмену мы обязаны открытием важного соединения – кофермента А, играющего решающую роль во многих жизненных процессах.

Вернемся, однако, к нашей пировиноградной кислоте и проследим ее судьбу в условиях недостатка кислорода. При помощи ферментов дрожжи прежде всего укорачивают ее молекулу до промежуточного продукта ацетальдегида, из которого далее образуется этиловый спирт. При этом освобождается значительно меньшее количество энергии, чем в производстве дрожжей. Возникает и значительно меньше дрожжевых клеток, которые вынуждены разложить большее количество сахаров. В результате образуется спирт,

В древних писаниях мы находим немало сведений о том, что люди ели хлеб, приготовленный из кислого (дрожжевого) теста, пили вино и пиво. Все это отражено и в мифологии. Греки и римляне поклонялись богу вина Дионису (Вакху), и в его честь устраивались знаменитые вакханалии. Из санскритской литературы мы знаем, что древние арийцы приготовляли пьянящий ритуальный напиток сома из перебродивших соков, а напиток сура, очень похожий на наше пиво, из пшеницы и ячменя. Греческий историк Геродот 2500 лет назад приписывал пиву божественное происхождение. Знаем мы и о том, что древние славяне варили пиво и мед.

По некоторым данным, дрожжи приготовляли и торговали ими в русских монастырях уже в XIV и XV веках. В конце XVIII века стали употреблять спрессованные дрожжи.

Жители древней Палестины имели рецепт приготовления хлеба из кислого и пресного теста.

Нужное количество дрожжей разводят в воде или молоке до белой кашицы – закваски, на которой и замешивают тесто. Клетки дрожжей преобразуют бродящие вещества в спирт и углекислый газ. Выход газов из теста затруднен; они вздувают его пузырями, и оно «поднимается». Поднявшееся тесто ставят в печь при температуре несколько сотен градусов. Газы, расширяясь в объеме, увеличивают размеры хлеба, который постепенно растет и покрывается коркой, сохраняющей его вздутую форму. От пузырьков углекислого газа и спирта в сердцевине хлеба остаются пустоты, которые делают мякиш пористым. Дрожжи в процессе выпечки разлагают часть крахмалистых и белковых веществ, делая их более доступными для ферментов, содержащихся в желудочном соке человека. Поры в сердцевине обеспечивают хорошую выпечку хлеба.

Итак, дрожжи являются одним из самых древних помощников человека в мире микробов. Хлеб, спирт, вино, пиво, белковые и витаминные препараты – все это широко известные продукты их жизнедеятельности.

Мы не упомянули здесь еще множество иных напитков, получению которых обязаны не только дрожжам, но и целому ряду других микроорганизмов. Но нельзя закончить эту главу, не подчеркнув, что использование этих продуктов жизнедеятельности микробов имеет и свою оборотную сторону, омрачающую жизнь человека.

Мы говорим об алкоголизме и его страшных последствиях. Как здесь снова не вспомнить слова Парацельса о том, что все есть яд и только доза делает яд незаметным!