1 рік тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Модное слово с неясным смыслом. Слово «биотех­нология» в последнее время стало очень распростра­ненным. Тем не менее мало кто из неспециалистов представляет, что обозначает это звучное название. По­рой его трактуют чересчур широко: как отрасль народ­ного хозяйства, где производятся любые манипуляции с живыми организмами и техникой одновременно. Что же такое биотехнология в строгом смысле этого слова?

Биотехнология — это химическая бионика. Как вы знаете, бионика — это использование секретов живой природы с целью создания более совершенных техничес­ких устройств. Одно время она была очень популярна. Однако далеко не все «патенты» живой природы мож­но перенести в металл и пластмассу, получив при этом экономический эффект. Но два таких «патента» до сих пор вызывают жгучую зависть инженеров.

Первый из них — организация систем управления в нервной системе высших животных. Известно, что быстродействие ЭВМ намного больше, чем у нервных клеток. В ЭВМ импульс передается практически со скоростью света, в нейронах он принципиально не может идти быстрее скорости звука в водной среде. А до создания по-настоящему думающих машин, срав­нимых с мозгом, еще очень далеко.

Второй — химические процессы в живых организ­мах. Современный инженер-химик, синтезируя то или иное вещество, применяет чаще всего высокие темпе­ратуры, высокие давления, агрессивные среды (кислоты, щелочи). Отсюда неизбежны большие затраты энергии, да и реакционное оборудование приходится делать из дорогих, но стойких материалов: стекла, нержавеющей стали, а то и платины.

Вот почему химики с завистью смотрят на биохи­мические процессы, идущие в живых организмах: с не­бывалой скоростью, строго направленно, без побочных продуктов, да еще и при комнатной температуре, нор­мальном атмосферном давлении и в нейтральной среде. Современный химик в принципе может синтезировать даже белок, но, увы, стоимость такого белка окажется в тысячи раз дороже природного.

Нельзя ли использовать биохимические процессы в промышленном производстве? Этим и занимается биотех­нология. Основа ее — использование биологических катализаторов — белков-ферментов, в мягких условиях осуществляющих нужную человеку реакцию. Собствен­но и второе распространенное название ферментов — энзимы — пришло из биотехнологии. В прошлом веке Э. Бухнер, изучая процесс брожения, вызываемый дрож­жевыми клетками, открыл, что сами клетки для глико­лиза углеводов необязательны. Достаточно сока, выжа­того из дрожжей. Активное начало этого сока и получи­ло название — энзим («в дрожжах»).

Биотехнологи в подавляющем большинстве случаев используют для работ ферменты и иные биохимические системы микроорганизмов — бактерий и дрожжевых грибков. Микроорганизмы чрезвычайно быстро раз­множаются на искусственных средах, у них малые размеры и соответственно очень велико отношение по­верхности к объему, а значит, весьма интенсивен об­мен. Поэтому раньше биотехнология называлась про­мышленной микробиологией.

На микробиологических заводах микроорганизмы выращивают в огромных количествах. «Сердце» такого завода — ферментер — цилиндрический сосуд из нержа­веющей стали, объем которого при некоторых произ­водствах достигает нескольких десятков или даже со­тен кубических метров. В ферментер подается стериль­ная питательная среда, в которую вносится культура микроорганизма (например, дрожжей). Содержимое ферментера интенсивно перемешивается: в него подается кислород, поддерживается температура, оптимальная для роста клеток. Специальные датчики позволяют автоматам следить за рН среды, содержанием в ней различных химических веществ, ее температурой и т. д. После окончания процесса ферментации клетки отделяют от культуральной жидкости с помощью сепараторов и используют их для выделения необходимых веществ.

С незапамятных времен человек использовал свойст­ва микроорганизмов, еще не подозревая о их существо­вании. Наиболее важной для примитивной древней био­технологии была реакция гликолиза — бескислородного расщепления углеводов на углекислый газ и этиловый спирт или молочную кислоту. Люди выпекали хлеб из дрожжевого теста, изготовляли вино, пиво, уксус, ку­мыс, кефир, простоквашу, сыр, творог, изготовляли си­лос, солили капусту, огурцы — везде работала реакция гликолиза. Иные реакции использовались значительно реже (при замачивании стеблей льна, дублении кож). Эмпирически люди получали наиболее ценные штаммы нужных бактерий и дрожжей, многие из них были тех­нологическими секретами.

Борьба за «сладкую» жизнь. Продемонстрируем успехи биотехнологии на конкретном примере, хотя бы на получении сахара. Углеводы (сахара) несколько условно можно разделить на три категории. Первая из них — моносахариды, состоящие из одной молекулы. Три моносахарида особенно важны в питании челове­ка: глюкоза (декстроза, или виноградный сахар), фрук­тоза (левулеза) и галактоза (молочный сахар). Эти углеводы имеют сладкий вкус. Сладкий вкус имеют и димеры моносахаридов — дисахариды. Это лактоза (продукт соединения глюкозы и галактозы), мальтоза (глюкоза плюс глюкоза) и наиболее нам известная сахароза, или тростниковый и свекловичный сахар (глюкоза плюс фруктоза).

Но моносахариды могут полимеризоваться и дальше, образуя длинные, иногда ветвящиеся цепи полисахари­дов. Если эти цепи не очень длинны, они расщепля­ются ферментами нашей пищеварительной системы до моносахаридов и усваиваются организмом. Это крахмал (полимер глюкозы), животный крахмал — гликоген и инулин, запасное вещество корневищ сложноцветных растений (полимер фруктозы). Все они съедобные и питательные, но не сладкие. Более длинные, содержа­щие свыше тысячи остатков моносахаридов, к тому же сшитые иными остатками цепи, не усваиваются орга­низмом. Пример такого полисахарида — целлюлоза, или клетчатка, слагающая клеточные стенки у растений. В чистом виде целлюлоза в природе встречается редко (волокна льна и хлопка), в древесине к ней добавля­ется лигнин (полимер ароматичных спиртов) и гемицел­люлозы — полимеры, содержащие другие углеводы, кроме глюкозы.

В умеренных широтах человечество всегда испыты­вало дефицит сладких моносахаридов и дисахаридов. Источниками их были только ягоды, фрукты и мед. Ввозимая с юга тростниковая сахароза стоила дорого, а свекловичная появилась лишь в XIX в. Моно- и диса­хариды к тому же легко сбраживаются дрожжевыми грибками до этанола, в результате чего получаются опьяняющие напитки. Как превратить целлюлозу или хотя бы крахмал в глюкозу? Любопытно, что первых успехов в этом направлении первобытный человек до­бился, применяя биотехнологию! Можно проделать прос­той опыт. Пережевывайте кусочек черного хлеба как можно дольше, до получаса, и заметите, что он приоб­ретает сладкий вкус. Это фермент амилаза, содержа­щаяся в слюне, расщепляет крахмал хлеба до мальтозы.

Первобытные люди долго жевали крахмальные клуб­ни и корневища, жвачку сплевывали в сосуд и сбра­живали ее — получался опьяняющий напиток.

Конечно, такой «биотехнологический» способ сей­час нельзя применять для получения сладких углево­дов: он не только негигиеничен, но и нетехнологи­чен. В настоящее время в промышленности использует­ся при изготовлении пива лишь амилаза, содержащаяся в проросших зернах ячменя (солоде). А как использо­вать огромные, до недавнего времени практически не­исчерпаемые запасы целлюлозы, содержащиеся в дре­весине, которая не атакуется амилазой?

В 1819 г. во Франции впервые удалось расщепить на глюкозу чистую целлюлозу льна и бумаги, гидро­лизуя ее серной кислотой. Затем кислота нейтрализо­валась мелом и оседала в виде гипса. Получался сладкий продукт — патока. Еще легче патоку было получить из крахмала. Однако сахарную проблему с по­мощью патоки решить не удалось. Сырье — чистая целлюлоза льна — было дороговатым, а гидролизат из древесины содержал, кроме глюкозы, еще и продукты гидролиза лигнина и годился лишь для получения гидролизного спирта и выращивания кормовых дрожжей. У нас из этого спирта делали синтетический кау­чук, а за рубежом в смеси с бензином заправляли ав­томобили. Сейчас, правда, нефть подешевела, но страны, не имеющие своих месторождений, такие, как Бразилия, успешно разрабатывают это направление. Так, в Брази­лии около 1 млн. автомобилей имеют двигатели внут­реннего сгорания, работающие на чистом спирте, а 10 млн. автомобилей заправляются бензином, содержа­щим 10% этилового спирта.

В странах, богатых нефтью, большую часть этило­вого спирта получают в настоящее время из этилена. Химическая реакция, которая лежит в основе получения синтетического спирта, хорошо известна:

СН2=СН22О —(катализатор)—> СН3—СН2—ОН

Этилен, в свою очередь, получают из нефти, запасы ко­торой далеко не безграничны; поэтому биотехнологи всерьез думают об обратном процессе — получении этилена из этилового спирта, производимого микробио­логическим путем. Ведь без этилена нельзя представить себе производство синтетических полимерных материа­лов и многих других ценных химических веществ.

Казалось бы, чистая технология (кислотный гидро­лиз) победила. Но победа была временной. Выясняя при­чину, почему во влажных тропиках быстро гниют хлоп­чатобумажные ткани, микробиологи нашли несколько видов микроскопических грибков, расщепляющих цел­люлозу до растворимых, усваиваемых соединений. Гриб­ки, поселяясь на ткани, выделяли ферменты, причем сразу несколько: одни из них расщепляли молекулы клет­чатки на относительно длинные куски, другие — на диме­ры из двух остатков глюкозы, третьи — отщепляли по одному углеводному звену с конца молекулы. Сход­ные ферменты нашли у многих бактерий и актиномице­тов, в том числе и у тех бактерий, которые живут в сим­биозе с животными, потребляющими целлюлозу. Такие животные не столь уж редки: «белые муравьи» — терми­ты и ряд других насекомых, сверлящий дерево моллюск — «корабельный червь» могут питаться чистой клетчаткой, например фильтровальной бумагой. Некоторые из этих организмов — симбионтов могут усваивать атмосферный азот. Да жвачный рогатый скот: коровы, овцы, козы — могут усваивать клетчатку. Строго говоря, коровы питаются не клетчаткой травы, а продуктами ее переработ­ки — симбионтами, обитающими в их сложных желудках.

Человек, видя такой заманчивый пример, также стал «приручать» микроорганизмы, расщепляющие клетчат­ку. И хотя сейчас кислотный гидролиз по-прежнему широко распространен, будущее за биотехнологически­ми методами.

Однако какое здесь место занимает генная инжене­рия? Раньше промышленные микробиологи выводили ценные штаммы простым отбором и подбирали комбина­цию разных видов грибков. Теперь возникает возмож­ность соединить все нужные для полного расщепления клетчатки ферменты в одной клетке. Когда такие штам­мы пойдут в производство, можно будет постепенно сворачивать производство трудоемкой культуры — са­харной свеклы. Сахаром нас обеспечат дешевые отходы лесной промышленности. Дрожжевая масса к тому же — ценный источник кормового, а в будущем и пищевого белка. Но этого мало.

Хотя мировое человечество в среднем лишь на 70% обеспечено углеводами, в развитых странах, в том чис­ле и у нас, наблюдается их явный избыток. Строго гово­ря, для нормальной жизни нам вполне бы хватало угле­водов хлеба и картошки. С конфетами, шоколадом, ва­реньем, мороженым мы получаем огромный избыток Сахаров, который в условиях гиподинамии откладывается лишней массой (вернее сказать, лишним жиром) и поль­зы не приносит. Конечно, геологу в маршруте или альпи­нисту при восхождении глюкоза необходима, но мало кто сейчас сжигает лишние калории физической нагруз­кой. Есть и люди, больные диабетом, для которых из­быток углеводов, в первую очередь глюкозы, смертельно опасен.

Где же выход? Отказаться от сладкого вряд ли каж­дый сможет. Поэтому сейчас наблюдается стремление заменять тростниковый и виноградный сахар фрук­товым — фруктозой. Она значительно слаще глюкозы, и потреблять ее можно в меньших количествах. Суще­ствует специальный фермент — глюкоизомераза, транс­формирующий глюкозу в фруктозу. Он уже работает в промышленности.

При нехватке сахара его раньше заменяли суррога­том — сахарином. Он не так вреден, как представляют, но и пользы не приносит. Сейчас диетологи расхваливают заменители углеводов — сахарные спирты: сорбит и ксилит (первый получен из ягод рябины, второй — из дерева). Их получают, насыщая водородом соответ­ствующие углеводы. Сорбит, например, дешевле всего получается гидрогенизацией глюкозы, а ксилит — из кукурузных кочерыжек.

Достоинства сорбита и ксилита помимо сладкого вку­са заключены в том, что они гораздо менее опасны для диабетиков, чем углеводы, широко применяются в промышленности при изготовлении самых разнообраз­ных продуктов — от зубной пасты до взрывчатки. У ксилита есть еще одно ценное свойство: бактерии, вы­зывающие порчу зубов (кариес), его не усваивают; поэтому от конфет на ксилите зубы не болят.

Пока ученые не научились микробиологическим пу­тем расщеплять лигнин древесины, пищевые продукты изготовляются из чистой целлюлозы и крахмала. Но есть микроорганизмы, потребляющие лигнин, и «приручение» их идет полным ходом.

В принципе возможны шоколад, конфеты и другие сладкие продукты, не содержащие ни глюкозы, ни фрук­тозы. Давно известны некоторые растения влажных тропических лесов — многолетние травы из семейства марантовых, приносящие очень сладкие плоды. Оказа­лось, что сладкий вкус этих плодов обеспечивают не уг­леводы, а белки. Известно несколько таких белков — монеллин и тауматины I и II. Тауматины в 10 000 раз слаще сахара и даже слаще сахарина, но в отличие от него безвредны. Казалось, что ничтожная добавка таума­тина в пищу обеспечит «сладкую жизнь» без Сахаров. Генным инженерам удалось отклонировать ген таума­тина, получить его экспрессию в бактериальных клетках и наработать этот белок в достаточных количествах. Однако выяснилось, что и тауматин далеко не идеаль­ный заменитель сахара: он воздействует на другие вку­совые рецепторы и действие его очень длительное (пос­ле его применения во рту надолго остается сладкий вкус).

Гораздо более перспективным кажется использова­ние аспартама — пептида, состоящего всего из двух аминокислот: аспарагиновой кислоты и фенилаланина. Добавленный в пищу в ничтожных количествах этот «сладкий пептид» полностью заменяет сахар. Разработа­ны как ферментативные, так и генноинженерные спосо­бы получения аспартама. Во всяком случае, биотехнологи планируют, что в 1990 г. производство этого веще­ства в развитых странах составит уже более 10 тыс. т.

Историю борьбы за сладкие углеводы завершим рас­смотрением проблемы превращения глюкозы в целлю­лозу, клетчатку с помощью биотехнологии.

Вы спросите: зачем нужно такое превращение? Ведь глюкозы не хватает, а целлюлоза в избытке? Правильно, однако в древесине целлюлоза загрязнена лигнином и гемицеллюлозами.

Чистая клетчатка, образующая длинные нитевидные молекулы, содержится только в волокнах льна и хлопка. Лучше же льняных и хлопчатобумажных тканей химики пока ничего не создали. Но лен и хлопчатник трудоемкие культуры, особенно хлопчатник. В Средней Азии и За­кавказье он занимает лучшую землю, отнимает большую часть воды; уборка и очистка его весьма трудоемки. Хлопкоуборочные комбайны далеки от совершенства. Прежде чем их пустить на поля, нужно с хлопчатника удалить листья дефолиантами — небезвредными веще­ствами. Может быть, выгоднее пойти по другому пути, отказаться от возделывания этих культур?

Есть такие бактерии — ацетобактерии, сбраживаю­щие глюкозу до уксусной кислоты. Некоторые из них способны к реакции полимеризации глюкозы в клет­чатку. Из клетки такой бактерии непрерывно вытяги­вается тройная нить целлюлозы — за час до 100 млн. глюкозных остатков! Для примера: средняя длина моле­кулы целлюлозы льна составляет 30 тыс. остатков, а хлоп­ка — всего 1500; причем и хлопок, и лен растут весь летний сезон. Целлюлозные ленты, синтезируемые бак­териями, образуют на поверхности культуральной сре­ды пленку. В подсушенном виде это прекрасный перевя­зочный материал, по сравнению с которым обычные бин­ты не идут ни в какое сравнение. Возникла идея исполь­зовать бактериальную целлюлозу в текстильной про­мышленности.

К сожалению, глюкоза еще слишком дорога. Чтобы ткани, созданные бактериями, вошли в практику, нужно удешевить ее раз в 100. Впрочем, если учесть что аце­тобактерии можно растить на дешевом гидролизате, учесть ту прибыль, которую можно получить от высво­бодившейся из-под хлопчатника земли и воды, экономию на очистке сырья, то эти планы покажутся не столь фан­тастическими.

Биотехнологи и генные инженеры пытаются гены, отвечающие за синтез целлюлозы, вставить в какие-нибудь фотосинтезирующие бактерии, которые сами вы­рабатывают глюкозу.

В отличие от большинства других микроорганизмов, требующих для роста сложных органических соединений, фотосинтетики используют для своей жизнедеятельно­сти энергию солнечного света. Следовательно, для полу­чения сверхвысококачественного текстильного сырья по­требуется только солнечный свет, вода, воздух и мине­ральные соли. Быть может, кто-нибудь из вас решит эту задачу еще в нашем тысячелетии.

Представьте себе полностью автоматизированные за­воды, стоящие где-нибудь в бесплодных пустынях, оро­шать которые невыгодно. Через огромные пластиковые реакторы, пронизанные солнечным светом, непрерывно прокачивается среда с бактериями. Сепараторы отде­ляют целлюлозу, которая направляется на прядильные фабрики. Побочным продуктом будет кормовая бакте­риальная масса. А на высвободившейся орошаемой земле цветут сады, растут овощи, фрукты, злаки — все то, что еще не под силу сделать биотехнологам.

А может быть, текстильщики будущего предпочтут материал лучше целлюлозных волокон? Вспомнили о прочных нитях паутины. Ведь пауки выпускают из своих желез тончайшую нить, по составу сходную с шелком тутового шелкопряда. Это тоже белок, богатый остатками аланина и глутаминовой кислоты, но прочность на разрыв доходит до 261 кг/мм2, т. е. в 6—8 раз крепче шелка! Паутинные ткани удивительно красивы, а в нос­ке практически вечны. Но все идущие с древности попыт­ки одомашнить пауков были неудачны. (Пауки на фер­мах просто пожирали друг друга, да и чем их кормить?) Теперь в Кембридже (Великобритания) генные инженеры пробуют вставить в геномы дрожжевых клеток выделен­ные ими гены белка паутины. Если это удастся, сверх­ценный текстильный материал будем получать из опилок, коры, щепок и прочих отходов деревообрабатывающей промышленности. Тогда главной продукцией лесозаво­дов будут паутинный шелк и кормовой белок, а доски и древесностружечные плиты — побочным продуктом.

Эволюция биотехнологии. Так на частном, хотя и важном примере мы проследили три этапа развития биотехнологии. Начало первого — древней биотехнологии — уходит за тысячи лет назад, в древний каменный век. В этом периоде люди не подозревали о существова­нии микроорганизмов и ферментов, хотя и использовали их в своей хозяйственной деятельности.

Второй этап — этап промышленной микробиологии — начинается с середины XIX в, в первую очередь работа­ми великого французского химика и микробиолога Луи Пастера. Люди уже знают о дрожжах и бактериях, куль­тивируют и отбирают их полезные штаммы. Но биотех­нологические методы по-прежнему применяются пока лишь в пищевой промышленности, реже в сельском хо­зяйстве (силосование, мочка льна).

Третий этап начинается в наше время. Биотехноло­гия обретает свое теперешнее название. Этот период можно характеризовать следующими чертами:

  1. Все чаще биотехнологи используют не сами клетки микроорганизмов, а выделенные из них ферменты. Это удобнее: нет побочных реакций, значительно облегчает­ся стадия очистки конечного продукта.

Правда, сами по себе ферменты — вещества мало­устойчивые; это белки с тонкой макромолекулярной структурой, легко разрушающейся под воздействием внешней среды. Речь, однако, идет об использовании их в качестве катализаторов промышленных процессов. Поэтому 10—15 лет назад в науке о ферментах возник­ло новое направление, получившее название инженер­ной энзимологии.

Одно из главных занятий инженеров-энзимологов — разработка методов закрепления ферментов на зернах твердого носителя. Таким носителем могут быть керами­ка, стекло, целлюлоза, а чаще всего синтетические по­лимеры. Закрепить, или, как говорят, иммобилизовать, белок на носителе можно разными способами: благода­ря физической адсорбции, путем химического пришива­ния (образования ковалентной связи между функцио­нальными группами белка и носителя) или посредством включения (захвата) его в полимерные гели, проницае­мые для воды и низкомолекулярных веществ, но непро­ницаемые для белка.

Иммобилизованный фермент в десятки или даже сотни раз стабильнее фермента в растворе. Кроме то­го, его можно легко отделять от продуктов реакции или сам биохимический процесс вести непрерывно, прокачи­вая раствор реагентов, например, через колонку (проточный реактор), заполненную зернами носителя с зак­репленным на них ферментом. Представьте себе реак­ционную колонку высотой метров в пять, заполненную иммобилизованной глюкозо-изомеразой. Сверху в колон­ку поступает раствор глюкозы (полученный, например, при гидролизе картофельного крахмала), а снизу выте­кает ценный глюкозо-фруктозный сироп.

Еще пример. Как известно, дисахарид лактоза, или молочный сахар, для большинства людей полезен. Однако некоторые взрослые люди вообще не могут пить молоко только из-за того, что содержащаяся в нем лактоза не расщепляется из-за отсутствия β-галакто­зидазы. В Африке этим недугом страдают целые племе­на. Безлактозное молоко можно легко получить с по­мощью иммобилизованного фермента — лактазы. Произ­водство такого молока налажено, например, в Италии.

Развитие методов иммобилизации ферментов приве­ло еще к одной важной находке. Оказалось, что часто вместо очищенного фермента выгоднее иммобилизовать на полимерном носителе целые клетки, производящие этот фермент. Для этого клетки микроорганизма заклю­чают в полимерный, например полиакриламидный, гель (точно такой же, который используют для электрофоре­за нуклеиновых кислот), а затем кусочками этого запол­няют проточные реакторы. Клетки способны многие де­сятки дней, а иногда и многие месяцы функционировать в таком состоянии (и даже размножаться внутри зерен геля). С помощью таких клеток — катализаторов — производят сейчас аминокислоты, антибиотики, стероид­ные гормоны, сахара. Их используют при очистке сточ­ных вод, обезвреживая их от таких химических ядов, как бензол, фенолы, или даже от радиоактивных веществ.

Применяя иммобилизованные клетки, биотехнолог использует по сути дела все преимущества традицион­ной промышленной микробиологии и новой инженерной энзимологии. Именно здесь особенно большие надежды возлагаются на генетическую инженерию. Ведь промышленный процесс ведут не сами клетки, а фермент, который в них нарабатывается. Генная инженерия позво­ляет получить клетки с повышенной концентрацией необходимого фермента. Такие клетки называют сверх­продуцентами данного белка. Для этого достаточно уве­личить в клетке число генов, кодирующих интересующий нас биокатализатор, например, ввести в них мульти­копийную плазмиду с геном этого белка.

  1. Вторая особенность современной биотехнологии — расширение ее сферы деятельности. Биотехнологически­ми методами сейчас изготовляются не только пищевые продукты, но и витамины, антибиотики, гормоны и ряд других лекарств, а также незаменимые аминокислоты. Производство последнего продукта имеетважное зна­чениев животноводстве, особенно в производстве кормов для свиней и домашней птицы. Следует помнить, что организм животных не может сам синтезировать неко­торые аминокислоты, он должен получать их с пищей. Человек, например, не может существовать, не потреб­ляя триптофана, фенилаланина, лизина, треонина, вали-на, метионина, лейцина и изолейцина (ежедневно не менее 1 г каждого из них). Детям нужен еще и аргинин.

Растительные белки хлеба, картофеля, овощей и фрук­тов не сбалансированы по этим аминокислотам. Их там, как правило, меньше, чем в животных белках. Вот поче­му человек должен или потреблять большие количества того же хлеба, или добавлять в диету животный белок яиц, молока и мяса. Но свиней и кур кормить живот­ным белком невыгодно. (У жвачных животных — рогато­го скота — положение лучше: выше мы сказали, что ко­рова, строго говоря, питается не сеном, а симбиотическими микроорганизмами, а у тех белок сбалансирован по аминокислотам.)

Выходов из этого положения два: добавлять в корм или животный белок (например, дрожжи), или незаме­нимые аминокислоты, недостающие в растительном кор­ме. Второй путь выгоднее, поэтому биотехнологи работа­ют над выведением бактерий — продуцентов лизина и триптофана. В этом случае потребление кормов резко снижается без ущерба для роста животных. Сейчас эко­номия растительного корма достигается чаще добав­ками дрожжевого белка, получаемого из гидролизата древесины и отходов сахарной и рыбной промышленно­сти. Но производство незаменимых аминокислот перспек­тивнее.

Рассмотрим вкратце, как генные инженеры кон­струируют штаммы бактерий со сверхпродукцией неза­менимых аминокислот. Аминокислоты образуются в клет­ке вследствие очень сложного и многостадийного про­цесса, в котором участвуют многие ферменты. Этот процесс можно схематически изобразить в виде цепочки биохимических реакций

А —(E1)—> B —( E2)—> C —( E3)—> D —> … —( En)—> N

где буквами А, В, С, Д,…, N обозначены продукты реакций, a E1, Е2,… и т. д. — ферменты, катализирующие образование этих продуктов.

Известно, что образование любого вещества в клетке отрегулировано очень точно. В случае образования ами­нокислот эта регуляция в основном осуществляется по так называемому механизму обратной связи. Поясним, что это такое. Предположим, что N — аминокислота лизин. Если в клетке синтезировалось лизина больше, чем необходимо для ее нормальной жизнедеятельности, то избыток этой аминокислоты сам подавляет свой синтез. Воздействует, однако, не на фермент Еn, а на са­мый первый фермент в цепи реакций, т. е. на E1, подав­ляет его активность и тем самым понижает уровень образования всех продуктов в цепи (В, С, Д) и т. д. Для клетки такой механизм очень экономичен: ведь если не нужен лизин, то не нужны и его предшественники.

Следовательно, чтобы сделать клетку сверхпроду­центом по лизину, необходимо растормозить реакцию А—>В, сделав фермент E1 нечувствительным для лизина. А это, как вы догадываетесь, поле деятельности для бел­ковых инженеров. Зная, на какой участок E1 воздей­ствуют лизины, они с помощью генной инженерии произ­ведут соответствующие изменения в гене этого белка.

Таким и сходными путями идет сейчас получение сверхпродуцентов многих незаменимых аминокислот. В нашей стране эту задачу решает большой коллектив ученых Института генетики и селекции промышленных микроорганизмов под руководством В. Г. Дебабова. В микробиологической промышленности уже несколько лет «трудится» полученный ими сверхпродуцент лизина, производящий ежегодно более 40 тыс. т этого ценнейшего продукта.

В будущем биотехнология, очевидно, освоит произ­водство не только кормового, но и пищевого белка из микроорганизмов, растущих на дешевых отходах. Уже сейчас из такого белка получают искусственное мясо и даже черную икру — вполне доброкачественные про­дукты. Трудность заключается в том, чтобы научиться искусственно получать те добавки, которые делают вкус этого мяса приемлемым (очищенный белок без­вкусен). Добавим, что есть бактерии, хорошо растущие на нефти и природном газе — метане. Вопрос — в очистке бактериальной массы.

Приведем еще пример. Вы, наверное, знаете о сти­ральных порошках с ферментными добавками, которые расщепляют жиропот и прочие загрязнения. Получают их из бактериальной массы. Однако здесь есть противо­речие: поверхностно-активные вещества — основа вся­кого стирального порошка — лучше всего работают при высокой температуре (80—90° С), а ферментные добавки в горячей воде теряют активность. Поэтому такими порошками следует стирать при 50°С, не выше. Есть, впрочем, бактерии-термофилы, хорошо себя чув­ствующие при температурах 90—100°С при атмосферном давлении и при 250°С — на больших глубинах океана, в подводных горячих источниках. Их ферменты: амилазы, протеазы и липазы — устойчивы и в горячей воде оста­ются активными. Можно было бы, конечно, выращивать на заводах термофилов, но они требуют совсем иной тех­нологии. Фактически это означает отказаться от старых заводов и построить новые.

Английские генные инженеры нашли иной выход. Они встроили гены нужных, устойчивых к высокой температуре ферментов в геном обычной бактерии-продуцента Bacillus licheniformis, и стиральные порош­ки «заработали» при высокой температуре.

Биотехнология проникла даже в производство метал­лов. Корни биометаллургии также уходят в седую древность: первое железо было выплавлено человеком из болотных руд — продукта жизнедеятельности желе­зобактерий, которые накапливают железо из воды, пере­водя его из двухвалентного в трехвалентное. Для бак­терий это источник энергии, а побочный продукт — Fе2О3, оседающий на дно водоемов. Теперь биотехнология заняла прочное место в металлургической промышлен­ности. Только в США 10% всей меди добывается микро­биологическим способом; причем себестоимость ее в 2—3 раза ниже, чем стоимость меди, получаемой обыч­ным путем. В металлургической промышленности ряда стран микроорганизмы используются для выщелачива­ния урана из руд, в процессе которого они из нераствори­мого состояния переходят в растворимую форму. В СССР разработана технология бактериально-химического способа извлечения золота и серебра из бедных этими металлами пород. Биометаллургия экономически вы­годна; кроме того, она исключает загрязнение окружаю­щей среды.

С каждым годом растет интерес к биотехнологии и со стороны нефтяников. Известно, что богатые нефтяные месторождения становятся все менее доступными. В то же время современные методы добычи позволяют извлечь из месторождения не более 40% содержащейся в нем нефти. Однако существуют микроорганизмы, разжижаю­щие нефть или превращающие ее в газ. Есть надежда с их помощью оживить старые и уже заброшенные неф­тяные месторождения в европейской части нашей стра­ны. Имеются и первые результаты: в частности, одна из старых скважин в Башкирии (некогда богатейшее нефтью второе Баку) за полтора года с помощью микро­организмов дала 160 тыс. т нефти. По последним дан­ным, с помощью микроорганизмов удается каменный уголь превратить в жидкое топливо, схожее с нефтью.

  1. Инаконец, третья особенность современной биотех­нологии — в нее широко внедряется генная инженерия. Нужные штаммы микроорганизмов теперь получаются не только отбором случайно возникающих мутаций, но и вставкой плазмид с соответствующими генами. Имен­но генная инженерия необычайно расширила возможно­сти биотехнологии, позволив получать бактерии со свой­ствами, прежде небывалыми.

Завершим главу совсем новым примером. Генным инженерам удалось перенести в клетки кишечной па­лочки, продуцирующие большие количества аминокисло­ты триптофана, ген из другой бактерии, в котором зако­дирован фермент, окисляющий производные бензола. В кишечной палочке этот фермент окисляет триптофан так, что в конечном итоге образуется краситель индиго. Индиго известно людям с незапамятных времен. До конца прошлого века его вывозили из индийских коло­ний Англии, где краситель добывали из индигоносных растений. Потом химики придумали способ получения индиго из анилина, и синтетический краситель вытес­нил природный. И вот теперь не исключено, что природ­ный индиго (хотя и созданный при прямом участии человека) вновь вытеснит синтетический.