БИОТЕХНОЛОГИЯ

Микробиологический синтез различных веществ играет ключевую роль в биотехнологическом производстве. Начало современной промышленной микробиологии было положено в 40-х годах, когда наладили производство пенпциллинов методами ферментации. В настоящее время микроорганизмы продуцируют десятки видов соединений - аминокислот, антибиотиков, белков, витаминов, липидов, нуклеиновых кислот, полисахаридов, пигментов, сахаров, ферментов и т. д.

К многообразному миру микроорганизмов относятся прокариоты (одноклеточные организмы, не содержащие оформленных ядер) - бактерии, актиномицеты, риккетсии и низшие эукариоты (одноклеточные и многоклеточные организмы, имеющие сформированные ядра, в которых хромосомы окружены специальной пористой мембраной (липопротеидной природы), - дрожжи, нитчатые грибы, простейшие и водоросли. Из более 100 тыс. видов известных в природе микроорганизмов в биотехнологических процессах используют всего несколько сотен. Микробиологическая промышленность предъявляет к продуцентам жесткие требования, которые важны для технологии производства: высокая скорость роста, использование для жизнедеятельности дешевых субстратов и устойчивость к заражению посторонней микрофлорой.

Это важнейшие направления биотехнологии, основанные на использовании микроорганизмов. Ведь переработка (биодеградация) отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности решает одновременно производственные и природоохранные задачи. Речь идет о достижении двух целей в едином процессе: утилизации (биодеградации) и превращении ненужного (как правило, экологически вредного) сырья в полезные продукты (биоконверсия).

Яркий пример биотехнологии, основанной на биодеградации в сочетании с биоконверсией - хорошо налаженная в Японии и других странах переработка отходов животноводческих комплексов с помощью синезеленых водорослей. Избавляясь от отходов, одновременно получают биомассу с высоким содержанием белка и биогаза, сильно обогащенный метаном. В Индии в настоящее время действует около 600 тыс. биоустановок по производству биогаза, обеспечивающих основную потребность в нем сельского хозяйства.

Одна из сложнейших проблем - утилизация целлюлозы. Целлюлоза - органическое соединение. На планете ежегодно синтезируется 4 - 1010 т-целлюлозы в результате фотосинтеза, т. е. в ней аккумулирована значительная часть солнечной энергии, поступающей на землю. Мировые ресурсы целлюлозы составляют 7×10 т. Это линейный полимер из мономеров целлобиозы, основу которой составляет глюкоза. Полное расщепление целлюлозы до глюкозы могло бы решить множество проблем - получение большого количества углеводов и очистку среды от отбросов лесов и сельскохозяйственного производства, бумажной и текстильной промышленности. Расщепить целлюлозу непросто, так как она состоит из нерастворимых волокон, ассоциированных с другими полисахаридами - гемицеллюлозой, пектином, и окружена лигнином, закрывающим целлюлозу от ферментов. Животные не переваривают целлюлозу. В природе ее расщепляют микроорганизмы, например нитчатый гриб - Trichoderma reesei, который продуцирует большое количество целлюлолитических ферментов (целлюлаз), представляющих собой смесь эндоцеллюлаз и экзоцеллюлаз (расщепляют полимер соответственно изнутри цепочки и с концов) и (3-глюкозидазы. Однако деятельность этих и других известных природных микроорганизмов недостаточно эффективна для создания на их основе промышленной биотехнологии расщепления целлюлозы.

В этой кардинальной и масштабной проблеме, как ни в какой другой, требуется помощь генной инженерии. В настоящее время гены целлюлолитических ферментов уже выделены из некоторых микроорганизмов. Разрабатываются методы их переноса в дрожжи, которые могли бы сначала гидролизовать целлюлозу до глюкозы и затем превращать ее в спирт. Существует, однако, серьезное опасение, что генно-инженерные микроорганизмы с повышенной целлюлолитической способностью могут распространиться в природе и станут наносить ущерб растительному миру и изделиям из целлюлозы, окружающим человека повсеместно.

Поскольку растительные клетки окружены жесткими целлюлозными оболочками, для их слияния нужно предварительно растворить эту оболочку, сохранив находящуюся под ней нежную белково-липидную плазматическую мембрану. Клетки, лишенные целлюлозной оболочки, называют протопластами. Получают протопласты обработкой клеток смесью ферментов. Затем протопласты с обнажившейся плазматической мембраной сливают, получая гибридные клетки, несущие свойства обеих клеток-партнеров. Этим путем созданы межвидовые гибриды табака, картофеля, капусты с турнепсом. Протопласты используют та we для переноса в них органоидов других клеток - митохондрий, хлоропластов, цитоплазмы.

Приведем наиболее интересные гибриды, полученные в результате слияния клеток. Широкое распространение в США и Англии получил гибридный сорт помидоров, устойчивый к двум вирусам (PLRV и PVY), которые наносят наибольший вред этим растениям. Гибридный сорт создали в результате слияния протопластов дикого вида помидора S. brevidens, устойчивого к PLRV и PVY, и коммерческого помидора S. tuberosum. В Японии создан таким образом сорт помидора, устойчивого к высоким температурам.

Значительный прогресс в этой области произошел и благодаря искусственным ассоциациям растительных клеток с микроорганизмами, особенно с азотфиксирующими бактериями. Проблема придания растениям свойства азотфиксации имеет огромное народнохозяйственное значение, поскольку производство азотных удобрений требует больших затрат, а их использование загрязняет среду. Уже получены положительные результаты благодаря искусственным ассоциациям азотфиксирующей бактерии Anaboena variabilis и табака. Несколько подробнее о проблеме азотфиксации будет сказано ниже.

Несмотря на очевидные успехи клеточной инженерии, наибольший интерес в последнее время вызывают работы по целенаправленному изменению свойств сельскохозяйственных растений с помощью методов генной инженерии - конструирования и переноса генов в растительные клетки и в целые растения, В последние годы с появлением генно-инженерных методов клонирования генов и их переноса в растительные клетки, а затем и в регенерируемые из них растения стало возможным заметно быстрее создавать новые сорта. Это направление, зародившееся лишь в середине 80-х годов, быстро набирает темп. Изолировано множество генов растений и микроорганизмов, кодирующих признаки продуктивности, устойчивости к неблагоприятным факторам. Получено немало растений, содержащих такие гены. Растения, несущие в геноме чужеродные гены, т. с. трансгенные растения, постепенно внедряются в сельскохозяйственную практику, их вклад в производстве сельскохозяйственной продукции быстро растет. Прогнозируется, что рынок биотехнологически улучшенных растений и семян в США составит в 1992 г. 24 млн., долл., а в 1997 г. может достичь 122,5 млн. долл.

Ферменты (энзимы) - белки, выполняющие функции биокатализаторов многочисленных химических (биохимических) реакций. Поскольку биотехнология основана на промышленном использовании биопроцессов, которые в значительной мере обеспечиваются ферментами, по существу, ни одна биотехнология не обходится без них. Ферментные системы микроорганизмов (бактерий, дрожжей) были первыми в истории человечества орудиями биотехнологий, на которых основано виноделие, пивоварение, переработка молока и т. д. Рассмотрим лишь 2 наиболее показательных примера состояния этих технологий в эпоху генной инженерии.

Пивоварение - старейшая биотехнологическая индустрия, базирующаяся на жизнедеятельности дрожжей, прежде всего Saccharomyces curevisiae, которые за последнее десятилетие стали одним из наиболее широко используемых генно-инженерных объектов, позволяющих создавать множество новых ценных штаммов. Так, исходные штаммы S. cerevisiae не способны переваривать декстрины, составляющие 20% полисахаридов ячменя, тогда как S. diastalicus содержит фермент амило-1,4глюкозидазу, расщепляющую декстрины (но эти дрожжи производят пиво худшего качества). Ген, кодирующий названный фермент, был изолирован из S. diaslaticus, перенесен и S. cerevisiae, и проблема была решена - получаемое с помощью генно-инженерного штамма пиво содержит очень мало сахаров, больше этанола и имеет улучшенные вкусовые качества.

Другая генно-инженерная операция - перенос а дрожжи из нитчатого гриба Aspergillus awamori гена, кодирующего гликоамидазу, которая расщепляет разветвленные высокомолекулярные полисахариды. Однако этот фермент очень устойчив в пиве и со временем все полисахариды превращаются в глюкозу, а пиво по мере хранения становится сладким. Чтобы устранить этот недостаток, ген перед переносом подвергли химической модификации, которая придала ферменту свойство разрушаться после завершения процесса брожения.

Поприщем генной инженерии стала и такая древняя биотехнология, как сыроварение, В технологии получения сыра ключевая роль принадлежит сычужному ферменту химозину, створаживающему молоко в желудке теленка. Потребность в химозине очень велика и далеко не удовлетворяется природным источником. Ген, кодирующий химозин, был проклонирован из геномной библиотеки коров и перенесен в дрожжи, которые после этого стали продуцентами ценного фермента.

Еще одна проблема в сыроварении - экономная утилизация сыворотку содержащей много ценных продуктов, в частности лактозу. Путем переноса в дрожжи генов (5-галактозидазы и лактозной пермеазы из бактерий получен штамм, который способен расти на сыворотке и производить спирт и биомассу, добавляемую к животным кормам.