БИОТЕХНОЛОГИЯ

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.

Запасы энергии в растительном покрове Земли, создаваемой с помощью фотосинтеза, сопоставимы с запасами энергии природных ископаемых. Обычно сухую биомассу превращают в энергию в процессе сгорания, тогда как наиболее эффективный способ превращения с помощью микроорганизмов сырой биомассы в энергию - получение углеводородов биогаза (метана).

Метановое брожение было открыто еще в конце XVIII в. Это сложный процесс, в котором участвует несколько видов микроорганизмов (превалируют Methanobacterium formicicum и М. hungati). Биогаз, образующийся В результате такого брожения, представляет собой смесь, главные компоненты которой метан (65%), углекислый газ (30%) и сероводород (1%).

Для получения биогаза используют смеси органических веществ (навоз, солому, помет, водоросли, целлюлозную биомассу), что требует для метанообразования многокомпонентных микробных ассоциаций. Биогаз давно производят в Китае, Индии, на Филиппинах. Сейчас интерес к этому виду топлива проявляют и в некоторых странах Западной Европы (в частности, во Франции). Метан важен не только для производства биоэнергии. Его получение - эффективный способ утилизации отходов сельского хозяйства.

Экологически чистое топливо - этанол. В последние годы его начинают использовать в двигателях внутреннего сгорания. Наиболее пригодны для производства этанола злаки (особенно кукуруза), картошка, маниок, земляная груша, сахарная свекла, сахарный тростник. У двух последних основной запасной углевод - сахароза, у остальных - крахмал. Сахарозу и крахмал обычно сбраживают с помощью дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В последнее время спектр используемых для этого микроорганизмов значительно расширился. Обращено, например, внимание на бактерию Zymomonas mobilis, способную сбраживать сок агавы. Она эффективнее сбраживает сахара и устойчивее к этанолу (конечному продукту), чем дрожжи. В настоящее время ведутся работы по генно-инженерному изменению этой бактерии с целью расширения круга утилизируемых ею субстратов. Перспективными для биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол считаются некоторые термофильные бактерии. Так, Clostridium tlicrmohydrosulfuricum утилизирует с очень высоким выходом этанола продукты деградации целлюлозы.

Для повышения выхода продукта и стабилизации активности бактерий производят иммобилизацию их на разных носителях. Согласно прогнозам этанол, получаемый ферментацией углеводородсодержащих субстратов, к 2000 г. будет стоить дешевле, чем спирт, производимый по традиционной химической технологии.

Благодаря поиску микроорганизмов, содержащих углеводороды, которые можно использовать в качестве заменителей нефти, обнаружены некоторые микроводоросли (Bolhryacoceus, Isochrysis и др.), содержащие эти соединения в количестве от 15 до 80% сухой массы клеток. Наилучший состав углеводородов присущ В. braunii, что позволяет использовать ее в качестве источника энергии.

Уже давно микроорганизмы используют как источник белка для питания человека и животных. Еще в годы первой мировой войны один из основоположников молекулярной биологии Макс Дельбрюк с коллегами в Германии (в 1937 г. переехал в США) разработали первый технологический процесс промышленного культивирования пивных дрожжей для их добавления в супы и колбасы. Белки, продуцируемые бактериями или дрожжами и используемые в пищевых целях, получили название белки одноклеточных организмов (БОО).

На первом этапе в качестве сырья для микроорганизмов использовали в основном углеводороды нефти. Затем интерес был проявлен к другим субстратам, прежде всего к природным газам (метан). Как субстраты для получения БОО из дрожжей используют некоторые промышленные отходы (например, отработанный сульфитный щелок с бумажных комбинатов, молочную сыворотку - побочный продукт сыроварения, мелассу (патока), отходы спиртоводочных заводов). Промышленный продукт получают в виде суммарной биомассы. Разработаны промышленные линии для производства и переработки микроводорослей с целью получения БОО. Объем дрожжевой биомассы, полученной в мире в 1985 г., превысил 1 млн. т. Ожидается, что в 1990 г. этот объем возрастет более чем в 2 раза.

Производство БОО имеет многие преимущества перед производством белка в животноводстве и растениеводстве: 500 кг дрожжей дают за сутки 80 кг белков, а у быка того же веса суточный привес составляет в лучшем случае 500 г белка. Однако БОО используют в основном как корм для скота, и лишь в будущем можно ожидать создания технологий получения БОО, пригодных для питания человека. Перспективно в этом отношении культивирование некоторых грибов (Fusarium), зеленых водорослей (Chlorella), цианобактерий (Spirulina), имеющих адекватные для человека органолептические свойства. В настоящее время уже налажено производство на базе крахмала волокнистой массы Fusarium как источника пищи для человека.

Изменения в генах, осуществленные с помощью генной инженерии, могут модифицировать структуру и улучшать свойства пищевых белков. Наибольший интерес в плане таких манипуляций привлекают к себе 3 белка животных и растений: овальбумин курицы, составляющий большую часть (54%) белка яйца, казеины (главная фракция в молоке) и белки сои (42% в бобах). Например, манипуляции с кодирующей частью гена k-казеина, в результате которых из белка элиминировался фрагмент, расположенный между 9-й и 17-й аминокислотами, а также” цистеин, участвующий в образовании дисульфидной связи, привели к тому, что новый белок как пищевой продукт стал более качественным.

Не может обойтись без ферментов и медицина. Холестериноксидазу используют в диагностике для определения уровня холестерина в сыворотке крови. Продуцируемую грибами супероксиддисмутазу применяют для лечения артритов, болезней сердца и при трансплантации почек. Терапевтическими свойствами обладают белки стрептокиназа из Е. coli, аспарагиназа из Erwinia chrysantherni и др. Ферменты используют для растворения тромбов, удаления из организма токсических веществ, лечения рака, ожогов. Известно около 200 наследственных заболеваний, связанных с дефицитом ферментов или иных белковых факторов. Их лечение возможно путем введения в организм больных чужеродных ферментов замещающих отсутствующие эндогенные. При септических процессах, инфаркте миокарда, эмфиземе легких, панкреатите применяют ингибиторы ферментов протеаз, получаемые из актиномицетов (химостатин, антипаин и др.) и генно-инженерных штаммов эглии или дрожжей.

Перспективны ферменты и для синтеза тонких химических веществ и осуществления многих производственных процессов в пищевой и фармацевтической промышленности. К ним относятся ферменты, помогающие получать высокофруктозныи сироп, способствующие свертыванию молока, гидролизу лактоз и, белков и жиров, участвующие в синтезе полусинтетического пенициллина, аминокислоты L-лизина и др. Широко применяют в промышленности липазы различного происхождения, которые катализируют многие сложные химические процессы. Например, катализируемая липазой очистка пальмового масла используется для производства какосового масла, 30% которого содержится в шоколаде.

Амилазы из бактерии и грибов расщепляют крахмал до низкомолекулярных сахаров - декстринов, глюкозы, мальтозы. Бактериальные протеазы разрушают белки при выделке кожи, сыроварении. Фермент глюкоизомераза из Bacillus sp. помогает превращать глюкозу во фруктозу. В последнее время внимание привлечено к циклодекстринглюкозилтрансферазам (ЦДГТ), необходимым при производстве циклодекстринов - соединении, важных для химической и фармакологической промышленности, для улучшения качества пищи, производства косметики и т. д. В ближайшее пятилетие ожидается семикратное увеличение потребности в циклодекстринах. А разве могут обойтись без ферментов энзиматический синтез и модификация пептидов? Коммерческий интерес проявляют, например, к энзиматическому синтезу дипептида аспартама, - низкокалорийному пищевому сладкому агенту. Химически этот продукт получали путем соединения ангидрида формиласпарагиновой кислоты и метилового эфира L-фенилаланина. Этот процесс протекает неэффективно, и образующийся аспартам загрязнен другими продуктами реакции. Энзиматически же, с помощью термолизина, синтезируется только чистый аспартам, выход которого составляет больше 99%.